王 劍，白 洋，郭吉豐

(浙江大學(xué)，杭州310027)

0 引 言

超聲波電動(dòng)機(jī)利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，使定子產(chǎn)生大于20 kHz的高頻振動(dòng)，通過定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合輸出運(yùn)動(dòng)和力矩，可滿足微特電機(jī)面臨的諸多新需求［1］。與傳統(tǒng)電磁型電機(jī)相比，超聲波電動(dòng)機(jī)擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在航天軍工、微型機(jī)器人、精密定位、光學(xué)鏡頭和醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［2－4］。特別是南航研制的Φ30 mm行波型超聲波電動(dòng)機(jī)，搭載在“玉兔號(hào)”月球探測(cè)車上，負(fù)責(zé)紅外成像光譜儀定標(biāo)板的驅(qū)動(dòng)與控制［5］。超聲波電動(dòng)機(jī)在探月計(jì)劃中的成功應(yīng)用開啟了其發(fā)展的新篇章。

科技進(jìn)步助推電機(jī)水平持續(xù)提升，多自由度電機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生，適用于空間機(jī)構(gòu)和多維驅(qū)動(dòng)場合，如機(jī)器人關(guān)節(jié)、智能安防監(jiān)控和精密定位平臺(tái)等。最初的多自由度電機(jī)沿用電磁原理，而電磁型電機(jī)構(gòu)造空間磁場不易，結(jié)構(gòu)與控制也較復(fù)雜。借助能量轉(zhuǎn)換形式的多樣化，部分學(xué)者獨(dú)辟蹊徑，選擇壓電原理來構(gòu)造多自由度電機(jī)，形成的多自由度超聲波電動(dòng)機(jī)具有機(jī)械集成度高、分辨率高和運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多樣化等特點(diǎn)，在特定場合得到成功應(yīng)用。近年來，多自由度球形超聲波電動(dòng)機(jī)成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，涌現(xiàn)出多種電機(jī)構(gòu)型，并在電機(jī)測(cè)控技術(shù)上也取得了一定成果。本文將總結(jié)多自由度球形超聲波電動(dòng)機(jī)姿態(tài)檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并探尋該領(lǐng)域下一步科學(xué)研究及應(yīng)用的方向。

1 電機(jī)分類及特點(diǎn)

多自由度球形超聲波電動(dòng)機(jī)按定子的形狀特征，可劃分為柱狀、板狀、碗狀和環(huán)狀等4類。日本東工大Amano等人［6］率先提出柱狀定子電機(jī)，使用Langevin振子形式，利用彎彎縱的振動(dòng)模態(tài)組合，使電機(jī)產(chǎn)生三自由度運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。后續(xù)南航和東南大學(xué)等學(xué)者亦采納該構(gòu)造原理，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能提升［7－8］，但力矩偏小的劣勢(shì)還無法克服。日本山形大學(xué) Aoyagi等人［9］提出了板狀定子電機(jī)，在鋁板定子表面印制厚膜PZT與電極，由板中心圓柱驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，力矩輸出更小。臺(tái)灣中原大學(xué)Ting等人［10］提出碗狀定子電機(jī)，碗底正交粘接壓電陶瓷，實(shí)現(xiàn)3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，該電機(jī)的缺點(diǎn)是加工裝配復(fù)雜，運(yùn)行效率低。環(huán)狀定子屬于行波型電機(jī)范疇，最早由東京農(nóng)工大Toyama等人提出，他們?cè)O(shè)計(jì)制造了多款二自由度電機(jī)，又推導(dǎo)了基于三定子的三自由度球形電機(jī)的摩擦驅(qū)動(dòng)模型［11］，如圖2所示。浙大也研制了多種結(jié)構(gòu)形式的環(huán)狀定子(行波型)電機(jī)［12］，其中三自由度電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩100 mN·m，空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速90 r/min，力能指標(biāo)超過日本同類電機(jī)的水平;又提出定子外緣大傾角、內(nèi)緣線接觸方式的構(gòu)形，顯著提升了換能效率和穩(wěn)定性;多定子安裝調(diào)試結(jié)構(gòu)從十字鉸結(jié)構(gòu)改進(jìn)為自動(dòng)調(diào)心結(jié)構(gòu)，最終采用柔性板簧自適應(yīng)壓緊球轉(zhuǎn)子，簡化了結(jié)構(gòu)與裝配［13］。綜合分析，環(huán)狀定子電機(jī)力能指標(biāo)高，性能穩(wěn)定，是多自由度球形超聲波電動(dòng)機(jī)的主要研究方向。

圖1 柱狀定子電機(jī)

圖2 環(huán)狀定子電機(jī)

2 電機(jī)姿態(tài)檢測(cè)

為實(shí)現(xiàn)多自由度球形電機(jī)高精度快響應(yīng)的控制要求，球轉(zhuǎn)子的姿態(tài)檢測(cè)是首要環(huán)節(jié)，也是多自由度電機(jī)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于轉(zhuǎn)子是球體，需要對(duì)球轉(zhuǎn)子多個(gè)方向進(jìn)行轉(zhuǎn)角檢測(cè)，無法復(fù)制傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法，需要構(gòu)造新的檢測(cè)方法和機(jī)構(gòu)，這也是實(shí)現(xiàn)球形電機(jī)閉環(huán)控制的前提條件。目前常見的多自由度球形電機(jī)的姿態(tài)檢測(cè)方法可分為接觸式和非接觸式兩大類。

2． 1接觸式檢測(cè)

Toyama等人［14］率先提出使用弧形十字球絞機(jī)構(gòu)，將轉(zhuǎn)子輸出軸的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為球絞機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，配合機(jī)構(gòu)兩側(cè)的編碼器識(shí)別球轉(zhuǎn)子的位置，檢測(cè)二自由度電機(jī)的姿態(tài)，如圖3所示。球絞機(jī)構(gòu)原理簡單，分辨率較高，是目前識(shí)別球形電機(jī)姿態(tài)常用的檢測(cè)機(jī)構(gòu)。但受到球絞機(jī)構(gòu)的干涉限制，球轉(zhuǎn)子實(shí)際無法完成180°的轉(zhuǎn)動(dòng);同時(shí)鉸鏈摩擦力會(huì)阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，消耗部分電機(jī)力矩。Lee等人提出的改進(jìn)方案［15］如圖4所示，在球轉(zhuǎn)子輸出軸上加設(shè)1個(gè)編碼

圖3 二自由度十字球絞

圖4 三自由度十字球絞

器識(shí)別球體繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，可識(shí)別3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，卻無法從根本上解決阻力的問題。北京航空航天大學(xué)提出了一種基于仿生學(xué)原理的三自由度被動(dòng)球關(guān)節(jié)［16］，如圖5所示，通過編碼器測(cè)量球形轉(zhuǎn)子z方向轉(zhuǎn)角，利用雙軸傾角傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子x和y方向的傾斜角度。該設(shè)計(jì)確保定、轉(zhuǎn)子間的摩擦力較小且精度較高，但是受限于傳感器體積，該方案無法被超聲波電動(dòng)機(jī)借鑒。一些學(xué)者提出使用調(diào)心軸承和連桿的測(cè)量機(jī)構(gòu)［17］，將球轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)轉(zhuǎn)化為調(diào)心軸承中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6所示，調(diào)心軸承配合精密，阻力較小，可提高檢測(cè)精度，降低系統(tǒng)損耗，但轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)范圍仍然受限。后續(xù)又借鑒機(jī)械鼠標(biāo)原理構(gòu)造摩擦輪檢測(cè)方案［18］，如圖7所示，由球轉(zhuǎn)子帶動(dòng)膠質(zhì)滾球，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)2個(gè)與編碼器同軸的輥柱，球轉(zhuǎn)子的姿態(tài)角信號(hào)轉(zhuǎn)換為編碼器的光電信號(hào)。球轉(zhuǎn)子無需輸出軸，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不受限;采用輕便的滾輪，力矩消耗可忽略;但球轉(zhuǎn)子和摩擦輪或有微小滑動(dòng)，會(huì)對(duì)檢測(cè)精度和響應(yīng)時(shí)間造成影響。

圖5 被動(dòng)球關(guān)節(jié)

圖6 調(diào)心軸承和連桿

圖7 摩擦輪

2． 2非接觸式檢測(cè)

采用CCD識(shí)別球體姿態(tài)最早由Lee等人［19］提出，如圖8所示，通過在球殼表面噴涂網(wǎng)格，用CCD鏡頭攝錄其運(yùn)動(dòng)圖像并轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的姿態(tài)信息。而后Lee改用2個(gè)分立光學(xué)元件檢測(cè)球殼的表面變化量，進(jìn)而測(cè)定球殼三自由度的姿態(tài)［20］，如圖9所示。但Lee的2個(gè)方案均需對(duì)球殼作表面處理，適用性較差。Toyama等人［21］提出利用安裝在環(huán)狀定子上的3個(gè)線性霍爾元件識(shí)別球體姿態(tài)，如圖10所示，但控制算法較復(fù)雜，且極化轉(zhuǎn)子導(dǎo)致超聲波電動(dòng)機(jī)喪失抗電磁干擾的特性。Stein等人提出用光電傳感器來檢測(cè)球形表面顏色信號(hào)，使用192個(gè)光學(xué)傳感器，分辨率小于1°，如圖11所示。Mashimo等人［22］提出利用激光檢測(cè)球轉(zhuǎn)子的姿態(tài)，如圖12所示，在球轉(zhuǎn)子底部粘接鏡子，通過鏡面反射光確定球體的姿態(tài)，但由于光纖尖端的表面差異和界面反射使其定位精度受限。

圖8 CCD鏡頭

圖9 分立光學(xué)元件

圖10 霍爾元件

圖11 光電傳感器

圖12 激光光纖

接觸式檢測(cè)方法存在增加摩擦阻力，滯緩動(dòng)態(tài)響應(yīng)和限制轉(zhuǎn)動(dòng)范圍等缺點(diǎn);非接觸式檢測(cè)方法相對(duì)具有無損、簡單、辨識(shí)度高等優(yōu)點(diǎn)。從球形電機(jī)姿態(tài)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)而言，非接觸式檢測(cè)將發(fā)展為主流的方向。后續(xù)可在吸納上述非接觸式方法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出新型的集成式光電識(shí)別方案，進(jìn)一步提高檢測(cè)精度和響應(yīng)，擴(kuò)大檢測(cè)范圍。

3 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

姿態(tài)檢測(cè)作為反饋環(huán)節(jié)，是多自由度球形超聲波電動(dòng)機(jī)高精度控制的前提與基礎(chǔ)。在電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制方向，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了基礎(chǔ)性的探索，亟需系統(tǒng)深入的研究。比如在柱狀定子電機(jī)的控制方向:日本東京工業(yè)大學(xué)的Takemura利用操縱桿實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的主從控制［3］，在偏轉(zhuǎn)和俯仰方向利用電位器實(shí)現(xiàn)反饋控制，而在自旋方向則采用開環(huán)控制，但文獻(xiàn)中未給出精度方面的數(shù)據(jù);南京航空航天大學(xué)則利用圖4的接觸式檢測(cè)裝置，采用PID+逐點(diǎn)比較的控制策略［23］，取得了較好的軌跡控制效果，控制精度可達(dá)0．45°。而在環(huán)狀定子(行波型)電機(jī)的控制方向:最先提出該電機(jī)的東京農(nóng)工大的Toyama項(xiàng)目組，在其研究室網(wǎng)頁上公布了一段操縱桿控制電機(jī)的視頻，并指出電機(jī)采用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方案［24］;浙江大學(xué)在圖7的摩擦輪接觸式檢測(cè)方案中，采用PID分段斜率比較的控制策略［18］實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制，軌跡誤差率僅為1．3%。比對(duì)上述進(jìn)展，可歸納如下3點(diǎn):1)姿態(tài)檢測(cè)環(huán)節(jié)都基于接觸式機(jī)構(gòu)，控制對(duì)象大部分也是柱狀定子結(jié)構(gòu)電機(jī);2)多自由度電機(jī)控制算法的選擇上基本以傳統(tǒng)PID控制為主，現(xiàn)代控制和智能控制鮮有涉及;3)對(duì)多自由度電機(jī)以運(yùn)動(dòng)學(xué)分析為主，模型控制比如摩擦驅(qū)動(dòng)模型等方向的嘗試不足。

4 發(fā)展方向

目前學(xué)界對(duì)多自由度球形超聲波電動(dòng)機(jī)的本體研究已相對(duì)深入，在設(shè)計(jì)、制造和靜力學(xué)模型等方面的理論和技術(shù)已較成熟，而姿態(tài)檢測(cè)和控制環(huán)節(jié)一直是制約多自由度球形電機(jī)應(yīng)用的瓶頸。下一步需著力探索新型非接觸式電機(jī)姿態(tài)檢測(cè)及控制的理論和技術(shù)，重點(diǎn)研究球形電機(jī)的控制數(shù)學(xué)模型、姿態(tài)檢測(cè)方法、運(yùn)動(dòng)控制策略及基于該電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)。一方面，深化球形電機(jī)摩擦驅(qū)動(dòng)模型和系統(tǒng)辨識(shí)模型的建模機(jī)理，提出集成式光電識(shí)別原理的電機(jī)姿態(tài)檢測(cè)方法，構(gòu)造高精度快響應(yīng)的電機(jī)無損檢測(cè)與控制平臺(tái)，形成多姿態(tài)角的精確定位和軌跡控制理論;另一方面，瞄準(zhǔn)多自由度球形超聲波電動(dòng)機(jī)在工業(yè)化領(lǐng)域的應(yīng)用，解決軌跡跟蹤及主從控制型策略。若能對(duì)該前瞻性應(yīng)用基礎(chǔ)課題進(jìn)行系統(tǒng)深入的創(chuàng)新性研究，不僅可突破多維姿態(tài)角測(cè)控理論的科學(xué)問題，還有望形成具有一定市場空間產(chǎn)品的技術(shù)基礎(chǔ)。

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