基于无穷维系统方法的微装配机器人三维微力信息感知与智能控制方法研究

Automatic micro-assembly is pivotal technology necessary for Micro Electromechanical Systems(MEMS). However, at present, in micro-assembly, there is no reliable methods to sense and control three dimensions micro contact force in the range of sub-micro-newton(sub-μN), which can not satisfy that fragile micro devices such as micro mirrors are automatically assembled with high precision. To solve the above problem, based on the 1D and 2D micro contact force sensors with resolution of sub-μN developed by us, a novel 3D micro contact force sensor will be designed, the complex model of micro-assembly robot will be setup, and the intelligent control method will be carried out in this research. Firstly, a 3D micro contact force sensor is designed to sense the reliable and real time micro contact force; secondly, as to the flexible arm of micro-assembly robot's end manipulator, the model is setup based on infinite dimensions method; last but not least, with the above complex model, a novel intelligent impedance control method founded on Ant Colony Optimization and Fuzzy Neural Network is researched to make the high precision manipulation of micro-assembly robots come true. This research will provide a feasible method for automatic micro-assembly and micro-manipulation, will improve the complexity and automation of high precision assembly of micro systems, and will be important to carry out the reliably manufacturing of micro systems with high precision.

自动化微装配是微机电系统（MEMS）必不可少的关键技术之一。但目前微装配中还没有可靠的亚微牛顿分辨率的三维微接触力感知与控制方法，无法满足微镜片等易碎微设备对于高精度自动化装配的迫切要求。本课题针对上述问题，在自主研发的一维、二维高灵敏度亚微牛顿分辨率传感器的基础上，进一步研究微装配机器人的三维微接触力感知、建模与控制方法。首先设计三维微接触力传感器来获取实时、可靠的微接触力信息；其次针对微装配机器人末端执行器的柔性臂结构，基于无穷维系统方法，建立精确模型；最后利用该模型，研究基于蚁群模糊神经网络的智能阻抗控制方法，实现微装配机器人的高精度操作。本课题研究成果为微尺度下的自动化操作与装配提供了一种可行的方法，将提高微系统高精度装配制造的自动化水平，对于实现微设备的可靠、高精度的批量制造具有重要意义。

由于在微装配系统中缺少三维微接触力信息的感知与控制方法，制约了微系统高精度、批量装配制造的自动化水平的发展。本项目针对上述问题展开深入研究。首先，在设计、研发出基于PVDF的一维、二维微接触力传感器的基础上，设计了一种三维微接触力传感器的结构，并对传感器进行了标定和有限元分析；其次，针对微装配系统末端执行器/传感器的结构，基于无穷维系统方法，建立了较为精确的系统模型；进而，通过研究一种新颖的智能阻抗控制方法，实现了微装配系统在未知微观环境下的精确控制。主要结论包括：1、研发的一维、二维微力传感器的线性度良好，而且分辨率达到了0.1μN，设计的三维微力传感器各向耦合度较低，可以实现0.1μN的各向独立分辨率；2、利用无穷维系统方法可以建立出复杂微装配系统较为精确的模型，为实现其精确控制奠定了基础；3、利用基于ACO-FNN（蚁群模糊神经网络）的阻抗控制方法，可以有效解决模糊神经网络在权值训练的过程中容易陷入局部极小值的问题，从而可以实现微装配系统的精确控制。.本项目的研究为微尺度下三维微接触力信息的感知与控制提供了一种可行的技术方法，将促进微设备或微系统装配制造的高精度自动化加工技术水平，实现微型装备的可靠、高产量的批量制造。