多自由度超声波电机的研究进展和展望

覃念祖

摘要：随着行业对多自由度运动的需求日益增长，传统电磁发动机的弊端逐渐显现。具有多自由度运动的电磁发动机通常结构复杂，难以制造和控制。因此，一些研究人员研制了多自由度超声波球电机。与电磁发动机相比，它具有结构紧凑、装配方便、机械集成高、驾驶方便、分辨率高、运动多样化等优点。它可用于机械和电气装置，如机器人接头、精密装配和微型机器人。过去十年来，国内外对多自由度超声波电机进行了积极研究，形成了多种结构形式，测量和控制方面取得了一些进展。

关键词：多自由度球电机;超声波电机;机器人;研究现状;发展趋势；

超声波电机具有低速大转矩、快速响应、高分辨率、抗电磁干扰等优点，可直接驱动，使其在机器人、工业仪器和仪表、安全等领域具有广阔的应用前景多自由度是超声电机研究领域的前沿课题。 对近年来几种多自由度超声电机的结构、机理、性能和特点进行了分类，给出了一些具有代表性的实例，总结了多自由度超声电机的主要研究成果和应用现状，并提出了建议。

一、多自由度旋转超声波电机

1.多自由度圆柱超声马达。多自由度圆柱超声电机的典型结构是定子球转子的圆柱结构。圆柱定子通常具有弯曲振动、纵向振动等模式。在应用中，通过激发几种模式的组合来驱动球形转子。这种结构是东京理工学院首次提出的。圆柱体采用分层结构，金属弹道学和电子元件用螺钉固定在一起。两种二阶弯曲振动模式和一阶纵向振动模式(即纵向弯曲模式)的振荡器通过施加张力而兴奋。这三种模式的组合将使定子端面上的粒子产生椭圆运动，然后驱动球转子产生摩擦的三自由度运动。发动机采用直径10毫米的滚珠丝杠，最大转速可达250 r/min，锁定转子力矩为7分钟m-什么在此基础上，提出了利用神经网络控制发动机的方法，进一步提高发动机的可靠性和稳定性。这种电动机定子的轴向结构很薄。由于球转子和定子之间难以施加预拧紧力，永磁体通常用于吸收球转子，因此此类电机的驱动力矩一般较弱。进一步简化定子磁球转子电机结构后，研制了一种短柱定子电机。与庆应大学引擎相比，短柱定子引擎具有结构简单、成本低、小型化等优点。发动机应用于机器人关节，得到良好的驾驶效果。此外， 设计了双定子锁紧机构，改进了定子-球转子圆柱电机的输出转矩，但发动机结构更加复杂。推导了圆柱定子三自由度球阀超声电机轨迹运动方程，采用PID plus逐点比较控制策略实现电机高精度轨迹跟踪控制， 并讨论了实现电机定子弯曲频率和纵向谐振频率均匀性的优化方法，与定子-球转子圆柱马达结构相似，于2009年提出了一种小型三自由度圆柱马达。 其特点是发动机定子是一个中空的圆柱体，起到传导和振动放大的作用，振动是由围绕圆柱体下方的一个偶极子环提供的。 提出了一种多自由度方形滚珠定子转子超声波马达。发动机定子是与压电陶瓷相连的空心方形棱镜。施加定子电压时，会产生拉伸、弯曲和扭转运动，然后驱动转子移动。这两种发动机的本质是通过激发定子模式来控制转子球的多自由度旋转。

2.多自由度环形超声马达。多自由度环形超声电机的特点是定子为环形，球速转子通过不同的环形振动方式产生多自由度运动。 这种发动机有了新的结构，但其制造、操作和控制复杂，其成就目前有限。2010年优化了发动机的原有结构，设计了夹层发动机。发动机采用两个对称定子将球转子拧紧到中间。这种结构不仅增加了转子输出扭矩，而且省略了转子的支撑机构。一个压电陶瓷环粘贴到发动机定子的顶面上，通过应用不同的组合张力来组合不同的模式，从而驱动球体旋转。开发的原型采用直径20毫米的滚珠转子和直径39毫米的环形定子，在80 V的驱动电压下最多可产生58.04 Mn的扭矩。在此基础上，提出了采用集成环形定子和压电陶瓷板的新结构新设计简化了发动机结构，但定子和转子装配的制造难度加大，控制也更加复杂。

3.球形定子型多自由度超声电机。多自由度球形超声电机的特点是定子为半球壳。该设计使定子位移波的驱动力直接应用于转子球体，理论上可以提高转矩和速度，进一步提高控制精度。这种发动机是台湾省钟源大学提出的压电陶瓷板布置在十字型半球壳定子的底面上。开发的原型采用直径60毫米的半球定子，在150 V电源电压下，单自由度和4.61n推力可产生15.7 r/min的最大速度；两个自由度的最大转速为16.9 r/min，推力为5.08n。目前，该引擎仍处于初始阶段，存在高损耗和低效率等问题。 研发的发动机具有较高的效率和良好的实用价值。发动机采用三个环形波定子驱动球速转子。定子在空间布局稳定，具有高度的稳定性、强度和能效。目前，对这种发动机的研究已经成熟，进入了商业生产阶段典型结构为直径30 mm的定子和直径40 mm的转子，在180 V驱动电压下，额定扭矩为40min m，最大扭矩为80min，最大转速为250 r/min。2005年以来，在中国国家自然科学基金会和863方案项目的支持下，成功研制了具有两自由度/三自由度的球形超声波电机，研制的样机采用直径45毫米的球形转子和直径30毫米的定子，锁定转子的扭矩为研究组着重介绍了定子结构，其外边缘与内边缘呈大倾角接触，定子的能量转换效率和稳定性得到了显着提高。滚珠丝杠定子结构由弹性叶片弹簧自动加压，使电机具有结构简单、装配方便、成本低、小型化方便等优点。以双自由度四定子电动机为基础，介绍了双自由度三定子结构，使电机结构更加紧凑可靠。考虑到运动波形定子表面的微幅振动和多定子对的三维空间，电机的输入输出具有典型的非线性耦合效应。建立了两自由度/三自由度球形超声电机驱动数学模型，为优化电机结构和提高其性能奠定了理论基础。超声旋转电机通常具有灵活运动、简单结构、尺寸小和成熟驱动技术等优点，但也有一些缺点，如转子速度/位置的复杂检测和输出力矩小。

二、多自由度超声电机的应用现状及前景分析

随着超声波电机技术的不断成熟和普及，多自由度超声波电机的应用领域也在扩大，越来越多地应用于航空航天、汽车电子、医药设备、生命科学和医疗技术等领域。由于非电磁干扰和容易小型化，多自由度超声马达广泛应用于医疗设备。 多自由度超声波电动机也广泛用于精密设备，如精密定位平台。随着精密工程的发展，微型零件的开发成了不容忽视的趋势，在微型零部件的开发过程中，对微型甚至微型定位的需求日益增加。超声波电动机，特别是多自由度超声波电动机，可以满足这些要求。 设计了基于压电材料的多自由度定位平台，位置控制精度可提高到10 nm。 多自由度超声波马达在安全监测设备和工业照相机领域，特别是在监测设备中使用的球形超声波马达方面也有很大的应用前景球形超声波电机是工业摄像行业第一个应用，设计制造了直径40毫米的工业视频探头，国内安全设备市场广阔。根据CAMI机电市场研究所的报告，中国安全设备行业的市场规模将达到2000亿元，年均增长率超过15%。在中国的安全产品中，电子产品的比例约为70%，视频监控占电子产品的55%。根据这一比例， 我国安全视频监控设备市场规模将超过700亿元。目前，带驱动控制器的双自由度球磨机的价格可以上涨到几千元虽然姿态检测控制技术可以在现有多自由度成熟球形超声电机的基础上深入研究，传统电磁电机可以用超声波电机代替，但其应用前景广阔。

结束语

总之，多自由度运动球波发动机具有独特的优势，可以是面向发展的。多自由度球形电机可轻松实现两三自由度，可用于球机驾驶控制、安全机械手手腕驾驶等多种领域，适合工业化。

参考文献：

［1］郭平．多自由度球形超声波电机的研究进展．2018．

［2］王晓玲，关于多自由度超声波电机的研究进展和展望.2020