1、第 卷 年第 期 月.多自由度超声电机的研究进展陈建毅 林星陵 吴庆勇(厦门城市职业学院 智能制造学院 福建 厦门)摘 要:超声电机是一种以逆压电效应为驱动原理的新型特种电机 具有结构简单、响应快速、定位精度好、可直接驱动等诸多优点 多自由度超声电机是一种重要的类型和研究热点 可实现空间中的多维运动和驱动输出 在微摄像机镜头、机器人关节、生物医学等领域具有显著的应用优势 本文从两类结构形式的定子进行分类 对国内外多自由度超声电机的研究进展进行总结和归纳 重点概述两类不同多自由度超声电机的结构优化、输出特性和应用方面等相关研究成果 为其进一步研究提供参考关键词:超声电机 多自由度 驱动机理 环形
2、行波型定子 柱状夹心式定子中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:收稿日期:修回日期:基金项目:福建省中青年教师教育科研项目(科技类)()厦门市自然科学基金项目联合项目()福建省海洋新能源和智能装备应用技术协同创新中心资助作者简介:陈建毅()男 博士 教授 研究方向为超声电机及压电精密驱动技术 引 言超声电机是一种新型的压电驱动器 涉及了机械学、压电学、振动学、摩擦学和自动控制等多门学科 是微特电机和精密驱动技术前沿领域的研究热点 与传统电机的电磁驱动工作原理完全不同超声电机利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化成机械能 激发出定子的超声振动 再通过定子和转子(动子)之间的摩擦作用直接驱动
3、电机的转子(动子)的运动 它具有响应快、定位精度高、可直接驱动负载等独特优点 在精密仪器、航空航天、武器装备、生物医疗等众多领域具有广阔的应用前景 并在相机自动对焦系统和精密定位平台等精密驱动领域已经商业化应用 我国举世瞩目的探月工程中“嫦娥四号”在人类历史上第一次登陆月球背面“嫦娥五号”成功带回月壤等重大科技项目均有超声电机应用的身影 其中 小型化和轻量化的超声电机发挥了重要作用 助力探测器在月球表面精准“挖土”凸显了超声电机的独特优势多自由度超声电机是超声电机一种重要的类型和研究前沿 依靠单个压电振子的多模态组合或者通过多个压电振子的组合 实现空间上多个自由度的运动和动力输出 在电机的结构
4、形式、小型化、轻量化、驱动便捷、控制精度、分辨率、多维驱动等方面具有明显优势 受到越来越多的关注 近年来 随着科学技术不断的发展和微特电机应用领域 期陈建毅等:多自由度超声电机的研究进展不断的扩大 对多自由度驱动系统的集成度、控制精度、功率密度、稳定性等关键性能提出了更高的要求 国内外学者针对多自由度超声电机开展大量的研究 研制了多种不同驱动机理和结构形式的多自由度超声电机 使其体积更小、具有更高控制精度 在微摄像机镜头、机器人关节、生物医学等领域显示出独特的应用优势 本文综述了环形定子多自由度超声电机和柱状定子多自由度超声电机的研究进展 对两类电机的新结构、优化设计、输出性能和应用方面等取得
5、相关研究成果进行了总结为其进一步研究提供一些有益的参考 环形定子多自由度超声电机的研究进展 环形定子多自由度超声电机主要由环形定子和球形转子组成 主要有组合式和多模态式 组合式是最主要的形式 通过多个行波型环形定子(环形压电陶瓷片和金属弹性体粘结而成)组合 依靠每个环形定子形成的驱动转矩共同作用驱动一个球形转子可实现球形转子绕不同轴的转动 即多自由度运动目前常见的多个行波型环形定子组合式主要有四定子二自由度、三定子三自由度、外转子三定子三自由度、内置定子驱动的三定子三自由度等结构 多模态式的环形定子多自由度超声电机主要通过环形定子的多种共振模态叠加组合来实现驱动球形转子绕相应轴的转动 实现多自
6、由度运动 行波型环形定子工作原理在行波型环形定子上激励相位差相差为 的两相正交信号 从而在定子表面上激发出同幅值、同频 但相位差为 的两相驻波 其在法向方向上的合成位移为()()()式中()为振动的振幅 为环形定子振动模态的节圆数(驻波的波数)为施加的交变电压角频率两相驻波在环形定子内叠加后形成沿某一方向传播的弯曲行波 表示为 ()()()由于定子上质点的法向位移均相同 则定子表面法向位移 由板壳理论 可知定子表面质点由行波产生的切向位移为 ()()()式中 为定子中性面与定子上表面的有效距离由式()和式()可推出:()()/()由式()可知定子表面质点的运动为椭圆轨迹因此 行波型环形定子驱动
7、机理是在两相交变电压的相互作用下 在弹性体内形成两相弯曲振动驻波 进而合成一个沿圆环周向运动的弯曲振动行波 行波使定子表面各质点作椭圆运动 并借助定子和转子之间的摩擦作用直接驱动转子运动 四定子二自由度球形超声电机早在 年 等人提出了二自由度球形超声电机 其主体结构由空间上两对相互垂直的行波型环形定子(即四个对称定子)环绕一个球形转子组成 其结构示意图如图 所示 每对定子可控制球形转子沿一个方向旋转 通过控制两对环形定子实现球形转子两个自由度的运动 通过调节两相激励信号的相位差 可以输出不同的速度、方向这是最基本的驱动原理 该电机样机的最高转速是/最大输出转矩 该电机由一对定子驱动时 另一对定
8、子会产生阻力 导致电机负载增加 运行不平稳、易发热 降低了电机的效率 年 浙江大学郭吉丰等人提出了一种自适应调心结构的四定子二自由度超声电机 该电机同样采用两对行波型环形定子 并增加对心的调整机构 保证每个定子的接触圆周均匀地接触球形转子 研制出定子直径、球转子直径 的实验样机 样机的输出转速在 轴和 轴分别为/和/输出转矩分别为 和 且运行稳定 年 等设计一种内部具有 倾斜角度定子齿 利用四个定子齿的倾斜表面和球转子同时接触 并利用碟形弹簧施加压力 驱动球转子运动 研制直径、球转子直径 的实验样机 最高转速 /最大输出转矩为 图 二自由度球形超声电机的结构示意图 卷 三定子三自由度球形超声电
9、机 年 等人在四定子二自由度进行结构改进 通过三个行波型环形定子在空间圆周上均匀分布来驱动球形转子 三个定子中心线交于一点(即转子的球心)相互之间成 度夹角分布如图 所示 当施加激励信号 三个定子产生驱动球形转子的驱动转矩(绕着各自中心轴线回转、)三个驱动转矩在空间上叠加所产生的合转矩可驱动球形转子做旋转运动 其在空间上的矢量和()即为球形转子回转转矩的方向这样 可分别通过控制三个定子驱动转矩来协同控制 实现球形转子在三自由度方向的旋转运动 研制了定子直径 、球形转子直径 的电机样机 在谐振频率、驱动电压 样机最高转速为 /最大输出转矩为 该类型结构电机具有较高的稳定性和力能效率 现已进入了商
10、业化生产和应用阶段 年 罗均等人将多自由度球形超声电机应用到机器人仿生眼机构的驱动 通过球形转子实现多个自由度旋转 从而可以驱动仿生眼球(摄像头)转动和位置控制 年 傅平等人提出了一种基于板簧支撑结构的三定子三自由度球形超声电机 如图 所示 该电机使用螺旋板簧支撑结构来解决球转子与定子之间的对心问题和提供预紧力 使定子自动对心和预紧力更加均匀一致 研制定子直径 、球形转子直径 的电机样机 在驱动电压 电机样机的最高转速 /最大输出转矩 且各方向运转平稳 年 牛子杰等人提出了基于柔性底座的 个行波型环形定子多自由度球形超声电机 该电机由 个环形定子、个柔性底座、个支架和 个球形转子组成 通过采用
11、了柔性底座弹性结构 实现电机的球转子和定子之间具有一定的预紧力 同时改进环形定子表面的齿状结构 将其齿面形貌和球转子表面同曲率半径的圆弧 从而保证球转子和定子齿面能够紧密贴合 年 郭语等人提出了一种具有同步调心结构的多自由度球形超声电机 由 个行波型环形定子共同夹持驱动 个球形转子 通过采用类似三爪卡盘的端面螺纹机构实现三个定子的同步调心采用有限元分析软件建立了基于响应面模型的多目标优化模型 对定子结构参数进行优化 提高了定子表面振幅图 三个行波型环形定子组合式多自由度超声电机图 板簧支撑结构的三自由度球形超声电机 外转子三自由度球形超声电机 年 等人设计和研制了一种适用于管道中摄像的外转子多
12、自由度超声电机 如图 所示 该电机采用直径 的三个行波型环形定子和摄像头构成外转子 金属球和支撑轴固定不动 电机驱动时 三个环形定子施加激励信号产生绕着各自中心轴线回转的驱动转矩 这三个驱动转矩的空间矢量和即为外转子回转力矩的方向同样 通过三个定子驱动力矩的不同组合和协同控制产生各种回转方向 驱动外转子的三自由度的旋转运动 通过相位差的控制可以方便实现转向控制通过频率控制实现旋转精度控制 该多自由度超声电机已经成功应用于管道检查的内窥镜摄像机镜头的转向机构 可以使摄像机镜头顺利通过直径为 期陈建毅等:多自由度超声电机的研究进展 且截面具有一个 拐角的管道 并且拍摄图像质量良好 如图 所示 该电
13、机具有高响应性与高精度的优点 控制摄像头可以实现了沿管道侧壁旋转超过 旋转位置精度误差在 以内图 外转子球型多自由度超声电机图 外转子多自由度超声电机在管道检查设备应用 内置定子驱动的三自由度球形超声电机 年 李争等人提出一种内置定子球壳内部驱动的新型多自由度超声电机 如图 所示图 内置定子驱动的多自由度超声电机该类型电机主要由 个球形转子、个环状定子以及基座支承轴和预压调节器组成 个定子对称分布于球形转子内部 各定子中心轴连接线夹角为 度 该电机驱动时 驱动电源分别对球壳内的三个定子施加激励信号 此时 个定子均产生弯曲行波 在预压力的作用下环形定子与球形转子内层接触形成绕着各自中心轴线回转的
14、驱动力矩、这三个驱动力矩的空间矢量和()即为该多自由度球形超声电机输出转矩矢量 球形转子可以在三个驱动转矩的共同作用下产生任何一个方向的旋转运动 实现电机的三自由度驱动 研制了定子直径 球转子的结构为内球直径为、外球直径为 的电机样机 测试样机的机械输出特性 在不同激励频率下的 轴、轴、轴的输出转速分别为 /、/、/年 李争等人进一步研究不同预压力的定子和球转子接触和输出特性 该电机可以获得大的输出转矩 在 的预压力 最高转速 /最大输出转矩 环形复合定子的多自由度超声电机 年 等人提出一种基于一个环形复合定子的多自由度超声电机 并对其在人工眼球定位系统的应用进行研究 该电机利用环形复合定子的
15、轴向弯曲模式和面内非轴对称模式的组合 在定子的四个驱动足上产生三个类型的椭圆运动 实现推动球转子具有 个旋转自由度 即可绕、和 轴的旋转 研制了直径 环形定子的样机并对样机的输出性能进行测试 样机的定子和测试平台如图 所示 在预压力 下 绕、轴的输出转速和输出转矩分别为 /和 绕 轴的输出转速和输出转矩分别为 /和 图 环形复合定子的多自由度超声电机样机的测试平台 双压电环的多自由度超声电机 年 等人提出了双压电环的多自由度超声电机 如图 所示 该电机由 同轴相连环形压电换能器和 个球形转子组成 环形压电换能器的材料是 外径 、内径 、厚度 压电环上表面电极分三段 度均匀分布 电机的驱动是基于
16、上下两个压电环的三路驱动信号激励 产生径向振动模式 致使压电环上的三 卷个接触件形成椭圆运动 实现了球面的斜碰撞 转子绕一个特定轴产生旋转 球形转子的转速和转矩由驱动信号的幅值控制 旋转方向通过切换三路驱动信号的通道和退出压电环特定的一对分段电极来改变 将球形转子放在单个压电环上 依靠转子自身重量施加定子和转子之间的预压力 在驱动电压 球形转子空转转速 /图 双压电环的多自由度超声电机 柱状定子多自由度超声电机的研究进展 柱状定子自由度超声电机大多是采用夹心式结构的圆柱定子 并利用压电陶瓷逆压电效应激发出的弯弯纵(两个二阶弯振模态和一个一阶纵振模态)通过多个模态运动的合成 使定子端面的质点产生
17、椭圆运动来驱动球转子绕相应轴的转动 可实现多自由度运动 这类结构最早由日本学者 于 年提出 这类型电机结构简单 主体结构采用单柱状定子驱动 避免了多个定子之间预应力施加导致的运行不平稳等问题 但也使电机的轴向长度变长 年 等人对该类型的电机进一步改进 研制直径为 、长度为 的柱状定子型多自由度超声电机 如图 所示 该电机采用兰杰文振子结构的圆柱状定子 利用柱状定子的弯弯纵振动模式实现球转子的多自由度运动最高转速达 /输出转矩 该电机应用于微创手术机械手腕关节 取得了良好的驱动效果 年 李志荣等人提出变直径圆柱体定子的三自由度超声电机 在圆柱体定子的一些特定位置上开环槽 研制定子直径为 、长度为
18、 的电机样机 样机绕 轴、轴和 轴的输出转速分别为 /、/和/输出转 矩 分 别 为 、和 年 徐志科等人采用双定子夹持机构 研制一种双定子三自由度超声电机 电机绕 轴、轴、轴的输出转速分别为 /、/、/输 出 转 矩 分 别 为 、该双定子夹持机构提高电机的输出转矩 但电机结构更加复杂、定子轴向长度更长图 柱状型多自由度超声电机及在手术钳的腕关节应用 年 等人提出一种可应用于机器人手指关节的柱状多自由超声电机 如图 所示该类型电机定子是由多层纵振的振子和夹心式弯振的振子叠加而成 通过激励纵振振子的纵振模态和弯振振子两个正交的弯振模态 从而得到球形转子三个自由度的旋转 该电机的谐振频率 最大输
19、出转矩约 并应用于机器人手指关节驱动图 柱状多自由度超声电机及在机器人手指关节应用 年 胡斌等人设计出基于杆式多自由度超声电机构建机器人腕关节结构 如图 所示图 基于杆式多自由度超声电机构建机器人腕关节 期陈建毅等:多自由度超声电机的研究进展在驱动电压 和施加预压力 条件下电机样机绕 轴、轴和 轴的输出转速分别为/、/和 /输出转矩分别为、和 该类型机器人腕关节具有较大的旋转自由度 其 轴转动的角度为 到范围 轴或 轴转动的角度为 到 范围 而且结构简单、轻巧灵便 有助于机器人的微型化和轻量化 年 杨小辉等人设计和研制出一种采用两组压电陶瓷的夹心式柱体多自由度超声电机 利用每组陶瓷的复合激励
20、可有效激励三种不同工作模式实现三自由度驱动 该样机在 模式、模式和 模式三种工作模式下 样机的输出转速为 /、/和 /年 李磊等人设计和研制出一种贴片式柱体多自由度复合超声电机 如图 所示 该电机定子采用截面为正方形的柱体基体 四片尺寸为 压电陶瓷片粘贴在柱体基体四个侧面 同样也是利用定子激励三种不同工作模式实现三自由度驱动 其结构更简化 在 模式、模式和 模式三种工作模式下 样机的输出转速约为 /、/和 /图 贴片式柱体多自由度超声电机 多自由度超声电机的输出性能比较表 归纳和比较几种不同结构形式的多自由度超声电机输出性能 可以看到 多自由度超声电机的结构形式在不断改进和优化 输出性能也在逐
21、渐得到改善和提升 最高转速方面 柱状定子多自由超声电机总体上要高于环形定子多自由超声电机 其中文献中的样机最高输出转速可达 /最大转矩方面 环形定子多自由超声电机要好于柱状定子多自由超声电机 其中文献中的样机最高输出转矩达 结构尺寸方面 环形定子组合的整体结构会更紧凑 三个方向长度相当 定子和球转子之间压力施加方式和装置更灵活 柱状定子的长度方向明显更长 整体结构尤其适合机器人关节表 几种多自由度超声电机输出性能的比较不同文献电机定子直径/球转子直径/谐振频率/最高转速/(/)最大转矩/环形定子文献文献 文献 文献 文献文献 柱状定子文献文献 文献 文献 文献 结 语超声电机技术日益成熟 应用
22、领域不断扩大尤其在精密驱动和生物医疗领域 几十年来 我国超声电机技术不断发展 取得可喜的成果和技术突破 跻身世界前列 打破国外在该领域的技术垄断多自由度超声电机可以实现多个自由度的运动和驱动输出 结构形式和驱动方式具有多样性和灵活性 可以有类似于球关节等结构形式 适合应用于机器人关节、微摄像机镜头、人工眼球等领域应用前景广阔 越来越受到关注 应用多自由度超声电机的多维运动驱动系统 集成度好、占用空间小 可以代替由多台单自由度电机的组合 已在实际中得到应用 但是 与旋转型超声电机和直线型 卷超声电机相比 多自由度超声电机的技术和应用相对还尚不成熟 因此 未来多自由度超声电机可以从以下方面进一步深
23、入研究和技术突破:()理论方面超声电机以压电陶瓷逆压电效应为最基本的工作原理 涉及机械、振动、摩擦、电子、控制等多个学科的交叉与融合 包含了诸多理论和科学问题多自由度超声电机更是涉及多个自由度的驱动控制理论和技术 其复杂程度和技术难度倍增 因此在现有的理论和数学模型的研究基础上 针对电机的动力学模型、电机多个定子与球转子之间接触界面模型和摩擦模型、电机多维度的控制方法和控制模型等 是多自由度超声电机在理论方面进一步深入研究和探索的重要方向()关键技术方面多自由度超声电机近年来发展迅速 电机的结构形式不断创新和优化 电机的性能逐渐得到改善和提升 在众多领域显示出巨大的优势和应用需求但是它在应用和
24、产业化进程还存在诸多关键技术问题有待进一步突破 包括了电机运行的稳定性和可靠性 电机精度的开环和闭环控制 电机多维姿态角的测量和控制 电机小体积、轻量化和性能提高的优化设计 自动对心和预压力施加 电机的制造工艺和生产成本降低等 这些关键技术问题的突破对于多自由度超声电机技术的发展至关重要()应用方面单自由度超声电机(旋转型、直线型)已经在照相机、精密定位平台等领域获得成功应用和商业化应用 展现出其在精密驱动技术领域的独特优势然而 多自由度超声电机的实际应用尚不多 还未形成较大市场空间的商业化应用 更多还处于实验室阶段的应用研究 因此 多自由度超声电机商业化应用方面和应用领域需要重点发展和不断拓
25、展尤其在微摄像机镜头、仿生关节手腕、生物医学等重要领域随着多自由度超声电机性能提升和技术不断突破 将为多自由度驱动系统带来重大的技术变革同时也给多自由度超声电机应用带来广阔的市场空间 并在越来越多的应用领域中发挥它的重要作用参考文献 赵淳生.超声波电机技术与应用 .北京:科学出版社.洪尚任.超声波马达.自动化仪表 ():.胡稳 董迎晖 吕军.法兰定子超声电机的几何参数优化设计.机械设计与制造():.():.:.郭吉丰 胡锡幸 傅平.空间用二自由度球形行波型超声波电机.宇航学报 ():.:.():.罗均 黄潮炯 李恒宇 等.基于球形超声电机的仿生眼的设计和仿真.新型工业化 ():.():.傅平
26、郭吉丰 胡锡幸.板簧支撑结构的三自由度超声波电机驱动模型研究.振动工程学报 ():.牛子杰 孙志峻 崔永杰.基于响应面的三自由度超声电机定子设 计 优 化 .振 动、测 试 与 诊 断 ():.郭语 陆庆 孙志峻 等.行波型球形超声电机定子的优化设.压电与声光 ():.():.李争 王哲 薛增涛 等.三定子压电驱动式多自由度电机的设计与分析.电机与控制学报 ():.:.:.():.():./():.李志荣 赵淳生 黄卫清.圆柱形多自由度超声电机特性的实验研究.中国机械工程 ():.(下转第 页)卷 分片式定子粘接超声电机机械特性曲线如图 所示 机械特性曲线如图 所示通过测试结果可以发现:超声电
27、机空载最高转速为 /最大输出力矩为 电机运行平稳可靠无噪声 型分片式定子粘接较环片式定子粘接超声电机空载最高转速高约/效率高约 输出功率高约 负载 时转速高约 /图 电机测试系统图 超声电机机械特性曲线图 超声电机机械特性曲线 结 语本文研究了一种超声电机用分片式定子粘接的工艺方法 通过对粘接工装的设计来满足分片式定子粘接的要求 对样机的性能进行了测试 主要从定子的两相静态电容和谐振频率、定子的粘接强度、定子的振动模态及组装成电机后的机械特性来验证该方法的可行性分片式定子粘接的工艺方法不仅能够满足超声电机的基本性能 且可通过对分片式压电材料进行分类组合 减小了超声电机的两相静态电容差 提高了电
28、机的输出性能 大尺寸环片式压电材料的烧结、制备、加工等工序的难度可通过分片式工艺大幅降低 分片式定子粘接对大尺寸超声电机的生产与制造具有一定的意义参考文献 赵 淳 生.超 声 电 机 技 术 与 应 用 .北 京:科 学 出 版社.徐志科 胡敏强.大直径行波型超声电机的优化.微电机 ():.莫岳平 胡敏强.大扭矩均压行波超声波电机研究.电工技术学报 ():.胡敏强 莫岳平.行波型超声波电机的制作工艺研究.微特电机 ():.王光庆 沈润杰 郭吉丰.超声波电动机胶粘技术及其对定子特性的影响.机械工程学报 ():.(上接第 页)徐志科 金龙 胡敏强 等.一种新型双定子三自由度超声波电机特性研究.微电机 ():.:():.胡斌 陶征 刘旭.多自由度超声电机构建腕关节结构关键问题的研究.机械设计与制造 ():.杨小辉.纵弯复合型超声电机激励方法与实验研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.李磊.新型结构多自由度超声电机的研究.郑州:郑州大学.
