【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本文專利技術(shù)公開了一種微位移驅(qū)動(dòng)裝置，特別涉及了一種基于遺傳算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的三軸向微位移驅(qū)動(dòng)裝置。
技術(shù)介紹
1、隨著材料學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)芪灰菩枨蟮脑鲩L(zhǎng)和精密器件的小型化，設(shè)計(jì)出一種能夠同時(shí)具有結(jié)構(gòu)小巧和支持高精度分辨率特點(diǎn)的位移平臺(tái)成為學(xué)術(shù)界和工程界的一項(xiàng)重要需求。目前應(yīng)用廣泛的位移位移平臺(tái)一般選擇將這兩種要求中和，或設(shè)計(jì)出非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，結(jié)合工程需求對(duì)另一需求進(jìn)行犧牲。目前，位移平臺(tái)體積小型化和輸出精度之間的制約關(guān)系仍是一個(gè)有待研究的課題。
2、壓電陶瓷在超精密定位和控制中相比其他控制器有著不可忽視的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)本身無(wú)間隙、無(wú)機(jī)械摩擦，且具有易于控制、分辨力高、響應(yīng)速度快、不受磁場(chǎng)影響和成本低等優(yōu)點(diǎn)。利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)使壓電材料被施加不同電壓時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)機(jī)械應(yīng)力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生微位移從而進(jìn)行工作。同時(shí)，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)輸入壓電陶瓷堆疊的電壓大小來(lái)控制壓電陶瓷的微位移輸出長(zhǎng)度。
3、基于粘滑機(jī)制的摩擦慣性壓電陶瓷堆疊驅(qū)動(dòng)器可以在保證驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)小巧的同時(shí)實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)的分辨率。然而，復(fù)雜的預(yù)緊機(jī)構(gòu)、精密的加工和精密的裝配要求增加了傳統(tǒng)摩擦慣性納米定位器的成本。因此，利用壓電陶瓷的體積小，輸出力大的優(yōu)良特性以及粘滑驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以在保證小巧驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)保持較為低廉的成本和一定的輸出精度。
4、在縮小和簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)不可避免的導(dǎo)致位移平臺(tái)的輸出精度受損。因此，需要運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序?qū)︱?qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的輸出進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分配，通過(guò)程序和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)結(jié)合的方式保證位移輸出的精度。遺傳算法能夠在廣闊的搜索空
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本申請(qǐng)的目的在于設(shè)計(jì)一種基于遺傳算法的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)小、位移精度高且價(jià)格低廉的位移驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工程上要求的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)小和高分辨率應(yīng)用。
2、技術(shù)方案如下：
3、本項(xiàng)目設(shè)計(jì)包括三個(gè)子部分。分別為運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序部分，控制系統(tǒng)部分與執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。
4、位移運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是基于粘滑機(jī)制設(shè)計(jì)的一種運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，將粘滑驅(qū)動(dòng)模塊與位移平臺(tái)結(jié)合，并按照工作模式與指令輸出微米級(jí)精度位移。執(zhí)行機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)有連接控制系統(tǒng)的接口，令控制系統(tǒng)中傳出的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
5、控制系統(tǒng)部分包含單片機(jī)與控制電路。單片機(jī)可以用來(lái)接收上位機(jī)的控制程序與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃結(jié)果，并輸出控制控制信號(hào)至驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路解算單片控制信號(hào)并輸出驅(qū)動(dòng)電流至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
6、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序?yàn)椴捎眠z傳算法的步數(shù)分配程序，對(duì)于位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃優(yōu)化模型進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，可以根據(jù)用戶給定的目標(biāo)位移進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。可以將規(guī)劃各檔位的步數(shù)并將控制程序燒錄給單片機(jī)。
7、所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分由壓電陶瓷堆疊，微型磁鐵，微型滑軌與外殼組成。可以接收控制系統(tǒng)發(fā)出的電信號(hào)并進(jìn)行微小位移輸出。位移輸出步長(zhǎng)可以根據(jù)輸入的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)大小進(jìn)行調(diào)整。其特征是：三軸向的位移裝置相互獨(dú)立，可在獨(dú)立狀態(tài)下進(jìn)行單獨(dú)工作。每一軸向的裝置間由螺絲進(jìn)行固定，三軸向運(yùn)動(dòng)互不干涉。
8、所述的微型滑軌，其特征是：包括滑塊、滑軌和滾珠，滑塊和滑軌上均有固定用螺絲孔，且滑塊和滑軌以滾珠相接觸滑動(dòng)。
9、所述的外殼，其特征是：對(duì)于每一軸向的位移裝置，其外殼均分為兩部分，一部分與微型滑軌的滑塊相固定，一部分與微型滑軌的滑軌相固定。且滑塊部分可以和磁鐵產(chǎn)生吸附作用。
10、所述的微型磁鐵，其特征是：微型磁鐵以磁力吸附于滑塊上，且不與外殼進(jìn)行摩擦接觸。
11、所述的壓電陶瓷堆疊。其特征是：兩端分別與外殼和磁鐵進(jìn)行固定。其供電線路延申至外殼外，和驅(qū)動(dòng)電路相連。
12、粘滑式慣性壓電驅(qū)動(dòng)器是利用摩擦慣性原理進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在連續(xù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下通過(guò)位移累積的方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)過(guò)程主要以壓電疊堆作為驅(qū)動(dòng)源，連續(xù)鋸齒波驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下壓電疊堆不斷被驅(qū)動(dòng)，粘滑式慣性壓電驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)單元進(jìn)行位移累積，也可以改變運(yùn)動(dòng)單元位移方向。粘滑式慣性壓電驅(qū)動(dòng)器以非對(duì)稱鋸齒波作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
13、所述控制系統(tǒng)部分由單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成，可以由運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序的結(jié)果輸出電驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)生成并由驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大。
14、所述的單片機(jī)，其特征是：其運(yùn)行的程序可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序的結(jié)果輸出對(duì)應(yīng)電壓預(yù)留檔位的對(duì)應(yīng)步數(shù)的非對(duì)稱鋸齒波，用以實(shí)現(xiàn)不同檔位對(duì)應(yīng)電壓下的粘滑式慣性壓電驅(qū)動(dòng)。
15、所述的驅(qū)動(dòng)電路，其特征是：具有數(shù)模轉(zhuǎn)換功能與功率放大功能。其可以接收單片機(jī)發(fā)送的八位二進(jìn)制信息并分別將其轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。隨后，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行功率放大至可以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷堆疊的合適大小并傳遞給驅(qū)動(dòng)裝置。
16、在完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分與控制系統(tǒng)部分后，需要連接并進(jìn)行上電測(cè)試，得到該套裝置在用戶使用工況下的電壓特性曲線。在后續(xù)的優(yōu)化過(guò)程中，需要得知用戶工況下的具體電壓特性，用以供給優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中的步長(zhǎng)參數(shù)。
17、預(yù)留電壓檔位，每個(gè)電壓檔位對(duì)應(yīng)個(gè)位移平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電壓。對(duì)于目標(biāo)位移，通過(guò)規(guī)劃兩個(gè)電壓檔位的輸出步數(shù)來(lái)使滑臺(tái)達(dá)到用戶的位移輸出需求。通過(guò)平衡步數(shù)較大限度地減小邊界效應(yīng)的影響，提高輸出精度。
18、所述運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序?yàn)椴捎眠z傳算法的步數(shù)分配程序，對(duì)于位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃優(yōu)化模型進(jìn)行數(shù)學(xué)求解。在驅(qū)動(dòng)位移運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，結(jié)合目標(biāo)位移需求，對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的檔位選取進(jìn)行規(guī)劃，利用遺傳算法來(lái)對(duì)目標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。
19、所述的優(yōu)化模型，其特征是：將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化數(shù)學(xué)建模。對(duì)于不同驅(qū)動(dòng)電壓所對(duì)應(yīng)的平均步長(zhǎng)，將其進(jìn)行步數(shù)分配。需要在考慮步數(shù)平均分配的前提下優(yōu)化驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的輸出位移，使其和用戶給定的目標(biāo)距離相差最小。
20、所述的遺傳算法，其特征是：解決了驅(qū)動(dòng)裝置在應(yīng)在每一種檔位下應(yīng)該對(duì)應(yīng)輸出步數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。遺傳算法包括初始化函數(shù)，迭代函數(shù)和擇優(yōu)函數(shù)。
21、相比現(xiàn)有技術(shù)，本專利技術(shù)的有益成果在于：
22、本設(shè)計(jì)提出了一種小量型位移驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，將該平臺(tái)所處理的位移驅(qū)動(dòng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為在預(yù)設(shè)條件下的在滿足目標(biāo)函數(shù)最小的情況下求取在約束下的變量解的優(yōu)化問(wèn)題，利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解，使其能夠在保證價(jià)格低廉的同時(shí)實(shí)現(xiàn)小體積驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)并具有高精度分辨率的特點(diǎn)。
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1.一種基于遺傳算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的三軸向微位移驅(qū)動(dòng)裝置，其特征包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分，控制系統(tǒng)部分與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分，其特征是：三軸向的位移裝置相互獨(dú)立，可在獨(dú)立狀態(tài)下進(jìn)行單獨(dú)工作。每一軸向的裝置間由螺絲進(jìn)行固定，三軸向運(yùn)動(dòng)互不干涉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的微型滑軌，其特征是：包括滑塊、滑軌和滾珠，滑塊和滑軌上均有固定用螺絲孔，且滑塊和滑軌以滾珠相接觸滑動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的外殼，其特征是：對(duì)于每一軸向的位移裝置，其外殼均分為兩部分，一部分與微型滑軌的滑塊相固定，一部分與微型滑軌的滑軌相固定。且滑塊部分可以和磁鐵產(chǎn)生吸附作用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的微型磁鐵，其特征是：微型磁鐵以磁力吸附于滑塊上，且不與外殼進(jìn)行摩擦接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的壓電陶瓷堆疊。其特征是：兩端分別與外殼和磁鐵進(jìn)行固定。其供電線路延申至外殼外，和驅(qū)動(dòng)電路相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的驅(qū)動(dòng)電路，其特征是：具有數(shù)模轉(zhuǎn)換功能與功率放大功能。其可以接收單片機(jī)發(fā)送的八位二進(jìn)制信息并
8.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的單片機(jī)，其特征是：能夠按照需求輸出對(duì)應(yīng)大小，周期，數(shù)量的鋸齒波。輸出的電壓大小和檔位對(duì)應(yīng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序，其特征是：采用的遺傳算法的方式，對(duì)于位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃優(yōu)化模型進(jìn)行數(shù)學(xué)求解，根據(jù)用戶的目標(biāo)位移輸出對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃。其規(guī)劃的結(jié)果會(huì)輸入至單片機(jī)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9中所述的優(yōu)化模型，其特征是：將運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化數(shù)學(xué)建模。對(duì)于不同驅(qū)動(dòng)電壓所對(duì)應(yīng)的平均步長(zhǎng)，將其進(jìn)行步數(shù)分配。需要在考慮步數(shù)平均分配的前提下優(yōu)化驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的輸出位移，使其和用戶給定的目標(biāo)距離相差最小。
11.根據(jù)權(quán)利要求9中所述的遺傳算法，其特征是：解決了驅(qū)動(dòng)裝置在應(yīng)在每一種檔位下應(yīng)該對(duì)應(yīng)輸出步數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。遺傳算法包括初始化函數(shù)，迭代函數(shù)和擇優(yōu)函數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的初始化函數(shù)，其特征是：定義了迭代函數(shù)的遺傳率，變異率和初始種群。
13.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的迭代函數(shù)，其特征是：包含遺傳操作函數(shù)，變異操作函數(shù)與種群活躍度選擇函數(shù)。迭代函數(shù)需要循環(huán)運(yùn)行多次，每一次進(jìn)行迭代后需要對(duì)每一種群進(jìn)行活躍度計(jì)算，以確定下一次迭代時(shí)其產(chǎn)生的子代數(shù)量。
14.根據(jù)權(quán)利要求10中所述的擇優(yōu)函數(shù)，其特征是：在迭代完成后的種群中選擇數(shù)量最多的種群對(duì)應(yīng)的解為優(yōu)化問(wèn)題的解。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于遺傳算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的三軸向微位移驅(qū)動(dòng)裝置，其特征包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分，控制系統(tǒng)部分與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃程序部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分，其特征是：三軸向的位移裝置相互獨(dú)立，可在獨(dú)立狀態(tài)下進(jìn)行單獨(dú)工作。每一軸向的裝置間由螺絲進(jìn)行固定，三軸向運(yùn)動(dòng)互不干涉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的微型滑軌，其特征是：包括滑塊、滑軌和滾珠，滑塊和滑軌上均有固定用螺絲孔，且滑塊和滑軌以滾珠相接觸滑動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的外殼，其特征是：對(duì)于每一軸向的位移裝置，其外殼均分為兩部分，一部分與微型滑軌的滑塊相固定，一部分與微型滑軌的滑軌相固定。且滑塊部分可以和磁鐵產(chǎn)生吸附作用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的微型磁鐵，其特征是：微型磁鐵以磁力吸附于滑塊上，且不與外殼進(jìn)行摩擦接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的壓電陶瓷堆疊。其特征是：兩端分別與外殼和磁鐵進(jìn)行固定。其供電線路延申至外殼外，和驅(qū)動(dòng)電路相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的驅(qū)動(dòng)電路，其特征是：具有數(shù)模轉(zhuǎn)換功能與功率放大功能。其可以接收單片機(jī)發(fā)送的八位二進(jìn)制信息并分別將其轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。隨后，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行功率放大至可以驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷堆疊的合適大小并傳遞給驅(qū)動(dòng)裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的單片機(jī)，其特征是...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：于嘉林，葉東，廉浩，馬爾浚，傅宇驍，周豪，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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