由于人类社会和科学技术中研究对象的不断微细化,微纳操控技术广泛应用于微操作、微装配与微机电技术领域中。作为连接微观系统与宏观系统的核心部件,由压电叠堆微夹持器与微动平台构成的多自由度微操作器在微纳操作任务中具有极其重要的作用。然而,随着微操作器不断向多尺度、柔性化、小型化、高精度和易于控制方向发展,现有的微操作器及控制技术面临众多挑战:1)被操作物体的跨尺度和不规则特征要求微夹持器同时具有行程大、分辨率高、平动夹持、集成传感器和易于控制等优点,而微动平台则需要具有行程大、精度高、自由度多和输出位移解耦等特点。2)压电叠堆致动器的输出位移具有严重的非线性迟滞回环,需要有效补偿迟滞效应并精密控制微动平台的输出位移、微夹持器的输出位移与夹持力。3)对于特定微操作任务,需要将柔顺微夹持器固定在宏动平台上组成宏微夹持系统,以实现操作系统大范围和高精度运动的双重需求。如何有效地探究宏微夹持系统的动力学特性并抑制大范围宏动激起的柔顺微夹持器振动(偏移)一直是亟待解决的难题。针对以上问题,本文设计了由双驱动压电叠堆微夹持器和XY微动平台组成的多自由度微操作器以及包含柔顺压电微夹持器和单自由度宏动平台的宏微夹持系统,重点开展机构静力学与动力学建模、压电叠堆致动器迟滞非线性建模、精密轨迹跟踪控制、宏微夹持系统整体动力学建模以及轨迹规划等方面的研究。通过数值仿真与实验验证相结合,验证了所建模型与提出方法的可行性。论文研究内容分为七章:第一章叙述了论文研究背景及现状。从压电叠堆微操作器系统结构、机构静力学与动力学建模、迟滞非线性建模理论、微纳精密定位控制技术以及大范围宏运动下柔顺机构的振动控制等方面对压电微操作器系统中的关键技术进行阐述。第二章设计了由双驱动压电叠堆微夹持器和XY微动平台构成的多自由度微操作器。采用直圆柔性铰链设计包含桥式放大机构与平行四边形机构、压电叠堆致动器和位置/夹持力应变传感器的双驱动压电叠堆微夹持器。采用混合直圆-叶型柔性铰链设计包含双摇杆机构与平行四边形机构、压电叠堆致动器和激光传感器的XY微动平台。然后使用伪刚体方法建立机构静力学与动力学模型,并通过有限元分析验证系统模型。最后搭建实验系统,分析测试了微夹持器和微动平台的开环特性。第三章提出微夹持器位置/夹持力同步控制策略。在第二章设计的双驱动压电叠堆微夹持器基础上,对微夹持器机构进行分解,将原来的"单输入-双输出"控制问题变为"双输入-双输出"问题,即在采用非线性模糊控制器(NFL)精密跟踪微夹持器左夹持臂输出位移轨迹的同时,使用PI控制器同步调整微夹持器右夹持臂夹持力,从而实现对微夹持器位置/夹持力轨迹的同步控制。为验证位置/夹持力同步控制策略的可行性,进行了4组典型轨迹(方波、正弦、变幅值、变频率)跟踪控制实验。第四章针对压电叠堆致动器的迟滞非线性问题,构建了一种精确表征非对称迟滞特性的Bouc-Wen模型。采用改进遗传算法对非对称Bouc-Wen迟滞模型参数进行辨识,并开展正弦衰减和任意轨迹的迟滞模型预测实验,验证了非对称Bouc-Wen迟滞模型和参数辨识方法的有效性。第五章研究多自由度微操作器的协同控制问题。在第四章建立的Bouc-Wen迟滞模型基础上,根据辨识得到的Bouc-Wen模型参数设计基于迟滞逆模型的前馈控制器,并在前馈控制器的基础上叠加PI控制器构成复合控制器,实现对微动平台输出位移的精密控制。然后将压电叠堆微夹持器固定安装在微动平台上,开展多自由度微操作器的协同控制。即在使用NFL/PI控制器同步、分阶段地控制压电叠堆微夹持器位置/夹持力轨迹的同时,使用复合控制器对压电叠堆微动平台的输出位移轨迹进行精密跟踪控制,实验结果验证了协同控制策略的可行性和有效性。第六章开展了宏微夹持系统动力学建模及轨迹规划研究。将第二章设计的柔顺微夹持器固定安装于伺服电机驱动的单自由度宏动平台上,构成具有大范围和高精度运动的宏微夹持系统。结合使用伪刚体模型、假设模态法和Lagrange方程建立了宏微夹持系统的整体动力学模型,并通过规划宏运动轨迹初步减小大范围宏运动激起的柔顺微夹持器末端夹持臂的振动(偏移)。为验证动力学模型和轨迹规划策略的有效性,搭建了宏微夹持实验系统,并开展不同宏运动轨迹测试实验。实验结果验证了动力学模型和轨迹规划策略的正确性及有效性。第七章对全文工作进行了归纳总结,并对压电叠堆驱动的微纳操作技术进行了展望。