随着机器人技术、生命科学工程和精密光学工程等领域的迅速发展,精密操控技术已经成为制约上述领域进一步发展的关键因素。机器人关节作为直接影响精密操控系统整体品质的核心部件,对于精密操控系统起着决定性作用。因此,如何实现机器人关节的微小型化、多自由度运动、高分辨力和大运动范围输出已成为工业界和学术界研究的热点。驱动器作为机器人关节的核心组成部分,对机器人关节的输出特性至关重要。相比于传统的电磁驱动器和新兴的柔性驱动器,压电驱动器具有高分辨力、结构简单、断电自锁、抗电磁辐射和响应迅速等突出优势。因此,基于压电驱动器开展微小型多自由度精密关节设计及其实验研究工作具有十分重要的意义。本文首先分析了压电关节基于惯性驱动的“粘-滑”工作原理,提出了一种贴片式压电驱动器的基本构型,确定了压电驱动器实现二维旋转驱动的激励方式。通过建立静力学模型获得了压电驱动器各结构参数、激励电压与输出位移之间的关系,并分析了压电驱动器主要结构参数对输出位移的影响规律。基于ANSYS的静力学仿真分析,确定了压电驱动器的结构尺寸和材料参数,同时验证了所建理论模型的正确性。制作了压电驱动器样机并开展了输出位移响应测试,进一步对理论建模和仿真分析结果的合理性进行验证。提出了球形动子支承结构和预紧装置,实现了对压电关节的整体封装,研制出了微小型指状二维精密压电关节的实验物理样机。其次,针对本文提出的惯性驱动式压电关节的实际驱动需求,研制了压电关节专用线性功率放大器。专用线性功放主要包括线性电压放大模块和直流稳压供电模块两部分,使用Multisim软件对各模块的电路结构进行了设计与仿真分析,利用Altium Designer软件完成了各部分电路的布线设计,加工制作出了专用线性功放并对其输入输出特性进行了测试。测试结果表明:专用线性功放的放大倍数为19.9209,实际放大倍数与设计放大倍数之间的相对误差为0.3955%,专用线性功放的纹波不超过55.4m V,可以将对称性分别为100%和0%的锯齿波激励信号进行有效放大。本文研制的压电关节专用线性功放获得了良好的线性度、较好的纹波特性以及对锯齿波输入信号进行不失真的放大响应等特性。最后,搭建了微小型指状二维精密压电关节的实验测试系统,提出了压电关节运动角位移和输出转矩的间接测量方案。利用搭建的压电关节实验测试系统,开展了压电关节的速度-电压特性、速度-频率特性、运动耦合特性、负载特性、角位移分辨力等机械输出特性实验研究。机械输出特性测试结果表明:在幅值为400Vp-p和频率为750Hz的信号激励下,球形动子绕X轴和Y轴的最大旋转速度分别为1.03rad/s和1.14rad/s;球形动子绕X轴和Y轴运动时引起的运动耦合率分别为7.80%和6.89%,具有较好的低运动耦合特性;球形动子绕X轴和Y轴的角位移分辨力分别为4.64μrad和4.76μrad,具有较高的运动分辨力;最大负载转矩为0.54N·mm。提出的压电关节兼顾了微小型化、高分辨力、大运动范围及二维输出能力,在微装配、精密指向调姿和细胞操控等领域均具有较强的应用潜力。此外,对本文研制的微小型指状二维精密压电关节与国内外文献中多自由度压电驱动器进行了详细对比,本文研制的压电关节在运动速度、位移分辨力和结构尺寸等方面具有显著优势。