大行程、高速度、高精度的精密定位机器人是先进电子制造业的核心装备,其定位精度、定位速度和行程范围直接影响着生产质量、生产效率和生产能力。如何解决大行程、高速度、高精度之间的矛盾,一直是精密定位机器人研究的基本问题。课题组针对这一问题,综合考虑并联机构、直线超声电机、柔性构件在定位速度、定位精度方面的优点,构建了面向芯片封装和检测的直线超声电机驱动的3-PRR柔性并联机器人,研究由于柔性连杆的引入而出现的系统振动问题,重点关注在高速重载情况下,柔性连杆的变形和振动导致末端执行器的精度下降直至整个系统失稳的条件和规律,建立了柔性并联机器人系统的刚柔耦合动力学模型和柔性连杆的主动振动控制方法;以纳米级定位精度为目标,通过建立宏微结合系统,对3-PRR并联机器人进行了基于柔顺机构的精度补偿研究,推进了大行程、高速度、高精度精密定位机器人的研究进程。主要研究工作如下:1.构建了直线超声电机驱动的平面3-PRR刚性并联机器人,分别采用矢量链法和虚功原理建立了3-PRR平面并联机器人的运动学和动力学模型。基于轮廓误差控制器和视觉闭环反馈,对并联机器人进行了轨迹跟踪控制。实验结果表明:基于轮廓误差的控制器对半径3mm圆形轨迹的跟踪误差小于15μm。2.建立了3-PRR柔性并联机器人刚柔耦合动力学模型。采用分支结构法将柔性并联机器人切分成3个对称的支链和1个末端运动平台,以获得准确的边界条件。综合运用扩展Hamilton法、假设模态法、牛顿-欧拉定律,得到了关于刚体坐标变量和弹性坐标变量的刚柔耦合动力学模型。对柔性连杆进行的模态实验表明:所采用的假设模态振型与实验模态振型相符合,可以准确描述柔性连杆的动力学特性。3.通过动力学仿真发现,柔性连杆的弹性变形会导致动平台的跟踪误差持续振荡,与由纯刚体动力学分析得到的结果相比,动平台的稳定时间大幅增加。以动力学模型和柔性连杆的模态实验为基础,分别设计了ZVD输入整形器和基于奇异摄动法的混合控制器。MATLAB数值仿真和振动控制实验表明:这两种基于关节输入的振动控制方法均能抑制柔性连杆的振动。在ZVD输入整形器的作用下,第一个柔性连杆的第一阶模态频率的功率谱密度减少了34.5%,且随着柔性连杆的振动衰减,动平台的残余振动也随之得到抑制,稳定时间缩短了0.1秒。4.建立了包含压电传感器和作动器的3-PRR柔性并联机器人动力学模型,在分析主动阻尼对系统动力学行为影响的基础上,采用直接输出反馈法对柔性连杆进行了主动振动抑制。MATLAB仿真结果表明:采用直接输出反馈法后,柔性连杆第一阶模态频率的功率谱密度下降了97.1%,抑振效果优于采用奇异摄动法时减少的48.9%。为防止控制能量溢出,采用有效增益模态控制器对柔性连杆进行多模态振动控制,并设计了相应的模态滤波器和模态合成器,实验结果表明有效增益模态控制器具有多模态振动控制能力:对柔性连杆第一阶模态频率(92Hz)幅值的抑制程度达到了57.78%,对第二阶模态频率(244Hz)幅值的抑制程度达到了44.9%。5.在考虑轴向力影响下,建立了3-PRR柔性并联机器人中柔性连杆的振动频率和轴向力之间的函数关系,分析了柔性并联机器人的动力刚化问题和屈曲行为。实验结果表明:当动平台运动速度较低时(f?1Hz和f?2Hz),在动力刚度影响下,第一个柔性连杆的第一阶模态频率的波动范围分别为8.4%和5.3%,对柔性并联平台的动力学性能影响较小;随着动平台速度的继续提高,动力刚度影响会逐步上升到主导地位,成为必须要考虑的重要因素。6.建立了宏微结合机器人系统,采用拓扑优化法设计了平面三自由度柔顺微动平台,基于视觉闭环反馈对3-PRR并联机器人进行了精度补偿。宏微结合平面三自由度(x,y,?)运动定位机器人原理样机在运动范围(2mm,2mm)内,平动定位误差在±50nm内,转动误差在±1μrad内,定位时间小于60ms。通过上述研究认为,以直线超声电机驱动的3-PRR柔性并联机器人与柔顺机构相结合构成的平面三自由度宏微运动定位系统,通过结构优化、振动抑制和精度补偿等措施,能在较大行程上快速实现纳米级定位,在芯片封装和检测等方面具有较好的应用前景。