多自由度超声波电机的研究现状与发展趋势

10244多自由度超声波电机的研究现状与发展趋势郭吉丰，王剑，白洋（浙江大学电气工程学院 杭州，310027）摘要 多自由度是超声波电机研究领域的热点和难点，多自由度超声波电机适合应用于空间机构和多维驱动场合，如机器人、医疗、光学和安防等领域。

本文首先分类探讨了国内外近年来涌现的具有代表性的几类多自由度超声波电机的结构、性能及其特点；其次总结了本研究室研制的行波型球形超声波电机和直线-旋转复合型超声波电机，并阐述了球形多自由度电机的位姿控制技术；最后对多自由度超声波电机今后的发展方向提出了建议。

关键词 多自由度 超声波电机 研究现状 发展趋势 位姿控制 中图分类号 TM355引 言超声波电机利用压电材料的逆压电效应，将弹性材料的微观形变转化为宏观运动，具有低速大力矩、高功率密度、高分辨率、无电磁干扰、结构紧凑、可直驱、运动实现多样化等特点，适合在小功率场合使用，可部分代替电磁型电机，特别在航空航天、光学调焦、仪器仪表、机器人等领域得到了很好的应用[1]。

随着科技的发展，机电系统也日益复杂化，很多场合需要多自由度驱动，但是由于多自由度电磁型电机结构复杂，难于制造和实施控制，且不适合低速直驱的应用要求。

所以一些学者独辟蹊径[2]，采用超声波电机的原理发展多自由度电机，由于形成的多自由度超声波电机仍具有低速大力矩、高分辨率和结构紧凑等优点，可用于机器人关节、精密装配、微小型机器人等多维机电装置，具有良好的应用前景[1]。

因此，国内外对此领域研究活跃，产生了多种原理和结构形式的电机，同时在测控技术上也有所进展。

本文首先分类探讨了近年来出现的几种多自由度超声波电机的结构、性能及特点，给出了一些具有代表性的电机实例；其次总结了本研究室在多自由度超声波电机方面的主要研究成果；最后指出了多自由度超声波电机的重点研究方向。

1 多自由度超声波电机的研究现状多自由度超声波电机可实现多个自由度的运动，具有国家自然科学基金(51107111)和中国博士后科学基金(20110491767)资助项目 机械集成度高的特点。

按照电机转子运动的输出形式，可将多自由度超声波电机分成旋转型、直线型、旋转‐直线复合型三类，如表1所示。

表1 多自由度超声波电机的分类表类型特点 典型结构 旋转型转子为球体， 两至三个旋转自由度 柱状定子‐球转子 环状定子‐球转子 球形定子‐球转子 直线型 两个平面自由度 单足/多足结构 旋转‐直线复合型一个旋转自由度 和一个平面自由度方体定子‐柱状转子1.1旋转型多自由度超声波电机旋转型是多自由度超声波电机最常见的一种结构形式。

此类电机的特点是转子为球体，可实现两至三个旋转自由度的运动。

按照定子的形状特征及与球转子接触的方式，又可以将转动型多自由度电机分为柱状定子型、环状定子型和球形定子型三类。

1.1.1 柱状定子型多自由度超声波电机柱状定子型多自由度超声波电机的典型结构为圆柱定子‐球转子，圆柱定子一般通过弯振和纵振模态的组合来驱动球转子。

这类结构最早由日本东工大的Amano 等人在1998年提出。

庆应大学的Takemura 和Maeno 在2001年提出了优化结构[3]，如图1所示。

圆柱定子采用兰杰文振子结构，利用压电振子的两个正交二阶弯振模态和一个一阶纵振模态，驱动球转子产生三自由度运动。

Φ10mm 电机可实现最高转速103250r/min 和堵转转矩7mN ∙m 。

2002年该团队提出了使用神经网络的控制方法，提升电机的可靠性和稳定性[4]。

此类电机的轴向尺寸较长，定、转子之间的预紧力常采用永磁体的吸引力，故驱动力矩则较小，姿态控制也较困难。

2006年，东工大的Nakamura 等人进一步简化了柱状定子‐球转子电机的结构[5]，如图2所示，采用两组压电振子，通过施加不同组合的电压激励定子的三种振动模式，进而驱动转子的三自由度运动，实现了短柱式定子。

与庆应大学电机相比，该电机结构简单、成本较低、可做到小型化，但控制相对复杂。

2011年，该电机在机器人指关节上得到应用[6]。

2007年，南航的李志荣等人采用PID 加逐点比较的控制策略，实现了电机的高精度轨迹跟踪控制[7]，并讨论了定子实现弯、纵谐振频率的一致性的优化方法。

2009年，东南大学徐志科等人采用双定子夹持机构，提高了柱状定子超声波电机的输出转矩[8]，双定子虽可有效夹持，但导致定子轴向长度更长。

图1 庆应大学的电机结构图2东工大的电机结构哈工大张明辉等人在2007年提出了一种方柱定子‐球转子多自由度超声波电机[9]，如图3所示。

该电机定子为中空的方棱柱体，侧面粘接4片压电陶瓷，其中对角的2片互相连接。

压电陶瓷在施加电压时产生面内的伸缩和弯曲变形，从而驱动定子产生伸缩、弯曲和扭转运动。

该种电机压电振子较难出力，所以球转子输出转矩较小。

图3哈工大研制的电机1.1.2 环状定子型多自由度超声波电机环状定子型多自由度超声波电机的特点是定子呈圆环形，通过圆环的不同振动模态组合来驱动球转子输出多自由度运动。

此类型电机的结构新颖，但制造、驱动和控制等环节都比较复杂，目前成果有限。

2010年， Aoyagi 等人提出了一种夹心式结构电机[10]，如图4所示。

电机使用2个对称的定子将球转子夹持在中间，新结构既增加了转子的输出力矩又减少了转子的支持机构。

研制的样机采用Φ20mm 的球转子和Φ39mm 的圆环定子，在80V 的驱动电压下，输出转矩为58.04mN ∙m 。

2011年，他们又提出了新的采用一体化的环状定子方案[11]，如图5所示。

图4环状定子超声波电机I 图5环状定子超声波电机II1.1.3 球形定子型多自由度超声波电机球形定子型多自由度超声波电机的特点是定子呈半球壳型。

台湾中原大学的Ting 等人2009年提出这款电机的定子呈半球壳型，下表面安置呈十字交叉状的压电陶瓷片[12]，如图6所示。

研制出定子直径为60mm 、厚度为2mm 的样机。

在施加150V 的驱动电压下，得到单自由度最大输出转速15.7r/min ，推力4.61N ；两自由度最大输出转速16.9 r/min ，推力5.08N 。

目前该电机的研究还处于起步阶段，存在损耗大、效率低的问题。

与之相比，东京农工大学Toyama 等人研制的电机则有着较高的效率和稳定性以及良好的实用价值[13]，如图7所示。

采用3个环状行波定子来驱动球转子，三定子在空间上按照一定规律布置，可以实现球转子的三自由度旋转。

由于环状行波定子的可靠稳定和力能效率高，目前该电机的研究已十分成熟并已进入商业化产品阶段。

典型的结构为定子直径30mm ，转子直径40mm ，在180V 的驱动电压下，实现额定力矩40 mN ∙m ，最大力矩80mN ∙m ，最高转速250r/min 。

图6中原大学的电机结构图7东京农工大的电机结构104旋转型多自由度超声波电机普遍具有运动灵活、结构简单、体积小、驱动技术成熟等优点，但也存在球转子的速度/位置检测较复杂、输出转矩较小等问题。

目前对该类电机的研究主要集中在结构设计、速度/位置的检测和驱动控制的策略优化等方面。

1.2直线型多自由度超声波电机直线型多自由度超声波电机可以实现在平面内的二自由度运动，通常情况下是直线超声波电机技术的延伸。

目前，这种类型电机的研究和成果较少，应用较多集中在精密定位平台上。

法国学者Dembele 和Rochdi 研制出了一种三自由度直线超声波电机[14]，如图8所示。

该电机由20片压电陶瓷和带有4个支撑脚的金属架组成，可以实现平面内的两自由度直线和面旋转。

实验样机尺寸为64mm×38mm×2.5mm ，支撑脚长3mm ，样机总重仅70g ，可由15V 的低电压驱动，运动精度达2.5µm 。

国内研究直线型多自由度超声波电机的机构较少，成果有限。

南航的金家楣等人提出了一种方尖塔形定子二自由度超声电机[15]。

时运来等人设计出了一种基于直线型超声电机的两自由度精密定位平台[16]。

图8 直线型多自由度超声波电机1.3 旋转-直线复合型多自由度超声波电机具有旋转和直线两种自由度的超声波电机是近年多自由度超声波电机研究领域的一个新热点。

加拿大萨斯喀彻温大学的Zhang 等人[17]于2006年提出了的电机结构中，旋转和直线运动分别由两个子电机配合完成，其结构和控制相对复杂。

东京农工大学的Mashimo 等人于2008年提出了一种新的旋转‐直线复合型电机结构[18]，如图9所示。

该电机由中心开孔的正方体定子和杆状转子组成。

该电机设计巧妙，使用单一定子激发两自由度运动，可以做到小型化。

2010年研制的样机定子长度仅为3.5mm ，通孔直径仅为2.507mm ，电机转速24rad/s ，转矩2.5μN ∙m ，直线速度80mm/s ，推力2.6mN [19]。

图9 东京农工大学研制的电机旋转‐直线复合型多自由度超声波电机的研究仍处于起步阶段，转子运动的稳定性较差，输出力矩较小。

目前的研究主要集中在结构设计的改进、驱动控制的优化和速度/位置的检测等方面。

2 浙大研究室的研究成果2.1 行波型球形多自由度超声波电机自2005年起，浙江大学在国家自然科学基金和863项目的支持下，成功研制了不同种类的多自由度球形超声波电机[20‐24]，如图10所示。

研制的样机均采用外缘大倾角内缘线接触的定子结构，定子的换能效率和稳定性得到了显著提高；图10(c)中提出的三定子二自由度的结构，使得结构更紧凑更可靠；图10(d)提出的利用弹性板簧来自动对心和提供预紧力的机构，使该电机易于装配和小型化。

样机采用Φ45mm 的球转子和Φ30mm 的定子，实现了堵转力矩100mN ∙m 和空转转速90r/min 。

由于超声波电机典型的非线性和机电耦合效应，通过建立基于各种机电参数的二/三自由度球形超声波电机数学模型[22‐24]，为电机的优化设计提供了理论基础。

(a) 四定子两自由度球电机(十字铰结构)(b) 四定子两自由度球电机(自适应调心结构)(c) 三定子两自由度球电机 (d) 三自由度球电机105(弹性板簧)(弹性板簧)图10 行波型球形超声波电机2.2旋转-直线复合型多自由度超声波电机从新的构造机理和激励方式入手，提出了一种基于单定子的旋转‐直线两自由度超声波电机，在柱状定子上粘接具有倾斜角度的压电陶瓷，利用一阶的扭振和纵振模态来实现旋转和直线运动。

在电机驱动中采用单相电源供电和惯性冲量的控制方法驱动转子运动，通过控制输入方波的频率、占空比和幅值，可以分别实现转子运动模式的切换、运动方向的改变和运动速度的调节。

实验样机选取直径为3mm ，长度为26mm 的柱状定子，如图11所示。

采用V pp =100 V 、f =51 kHz 方波电压输入，在占空比为33%(66%)转子的逆(顺)时针运动，最大转速约为85 r/min ；采用V pp =100 V 、f =91 kHz 方波电压输入得到转子的直线运动，在占空比为33% (66%)时向内(外)侧运动，最大直线运动速度约为1.5 mm/s 。