單級柔順正交位移放大機構非線性建模與優化

孔垂旺，陳為林，盧清華，羅陸鋒，張云志

（佛山科學技術學院機電工程學院，廣東佛山528000）

在微血管外科手術、細胞操作、光纖裝配、柔性導線理線焊接等精密工程應用中［1-4］，均需利用微夾鉗實現微納尺度物體的夾取、搬運與放置。一方面，柔順機構具有無間隙、無摩擦、免裝配等優點，是微納操作系統末端執行器的典型實現形式［5］；另一方面，壓電驅動器響應速度快，分辨率高［6］，是微夾鉗的常用驅動方式之一。對基于柔順機構的壓電驅動微夾鉗而言，同時實現操作的靈活性和穩定性是國內外研究者普遍關注的熱點［7-8］。

提高輸出端行程可有效擴大壓電驅動柔順微夾鉗的夾取范圍，實現靈活操作。由于典型的壓電疊堆驅動器的輸出行程僅約為其自身長度的0.1%［9］，為提高微夾鉗輸出端行程，需將驅動器與位移放大機構匹配使用。常用的柔順位移放大機構包括杠桿放大機構、柔順正交位移放大機構、Scott-Russell 機構等［10-13］。其中，以橋式放大機構、單力輸入單級柔順正交位移放大機構為代表的柔順正交位移放大機構可以通過壓電疊堆驅動器的直線位移輸出轉換來實現平行夾持，提高微納操作的穩定性。橋式放大機構結構緊湊且理論位移放大倍數大，有關該機構靜力學建模、動力學建模、結構優化等的研究較多［14-22］，但它僅在雙向對稱輸入力作用下才能實現正交位移轉換。對于微納操作系統中的壓電疊堆驅動器，一端固定一端輸出的邊界條件更有利于其預緊的便捷性與穩定性，但這種邊界條件無法與橋式放大機構相匹配。……