盤狀多自由度超聲波電機的設計及其自激驅(qū)動電路

1、英文資料翻譯盤狀多自由度超聲波電機及其自激驅(qū)動電路的設計摘要：由于多自由度系統(tǒng)數(shù)量的增加，多自由度驅(qū)動器在機器人領域變的更有用。超聲波電機的一般特征是它能夠作為直接多自由度驅(qū)動器。盡管如此，和由復變電磁電機組成的多自由度動作單元相比，以前發(fā)展起來的超聲波電機在體積和重量上并沒有優(yōu)勢。在目前的研究中，學者們研究出了一種新型的多自由度超聲波電機，這種電機由緊湊的盤狀定子和球形轉子組成。首先，提出了一種新的電機驅(qū)動原理；其次，用有限元法已經(jīng)詳細設計了定子的平面圖形，這種多自由度超聲波電機的模型已經(jīng)被生產(chǎn)出來；隨后，對定子的振動特征和電機的驅(qū)動特征進行了測試。結果證實，受單盤轉子的驅(qū)動，電機成功地實現(xiàn)

2、了在直角坐標下所要求的定子多自由度運轉。最后，提出了這種電機的新型的自激驅(qū)動電路，并用其實施了驅(qū)動測試。關鍵詞：多自由度驅(qū)動器 壓電驅(qū)動 自激 超聲波電機I.簡介現(xiàn)在，自動機械被廣泛應用于多個領域，如工業(yè)，娛樂，醫(yī)療，惡劣環(huán)境下作業(yè)等等。既然這些應用和我們的生活如此接近，一些自動機械便可以被大多數(shù)人操作和應用，而不僅僅是專家。所以就要求機械能實現(xiàn)像人一樣的靈巧的多自由度運作，也就是說實現(xiàn)像人一樣慣用右手的運動成為機器人方面最重要的課題之一。靈巧的多自由度運動一般是靠電磁電機的單自由度運動和齒輪傳動的結合來實現(xiàn)。盡管如此，用這種機械裝置，由于需要大量的驅(qū)動器和傳動齒輪，系統(tǒng)總體積和重量都將增大和

3、增重，所以很難建立一種緊湊的多自由度運動單元。有兩種方法可供工程師們?nèi)ソ鉀Q這些問題。一種方法就是制造一種更小的強力的單自由度驅(qū)動器；另一種方法是制造一種具有多自由度驅(qū)動器一些功能的驅(qū)動器。前者是現(xiàn)在觀念的一種延伸，那意味著系統(tǒng)的構造和控制方案和傳統(tǒng)系統(tǒng)基本一致。另一方面，如果我們嘗試后一種方法，用和傳統(tǒng)系統(tǒng)不同的觀念可以發(fā)展一種新型的系統(tǒng)結構。于是，一些多自由度驅(qū)動器被設想并發(fā)展起來，這些電機用單精度定子可以產(chǎn)生多自由度運動。多自由度電磁電機的一些例子如下：Roth et al. 提出了三維可變球狀電機；Yano et al. 發(fā)展了一種球形步進電機。還有一些關于多自由度電磁電機的研究成果。盡

4、管如此，這些電機的結構很復雜以至于很難實現(xiàn)微型化。但是另一方面，超聲波電機有很多的優(yōu)點，如低速大轉矩，高制動轉矩，無電磁輻射，低噪音，結構簡單等。其中的一些特征確保了超聲波電機作為多自由度驅(qū)動器實現(xiàn)直接驅(qū)動的能力。如圖1對超聲波電機和電磁電機的最大轉矩進行了比較。圖形顯示超聲波電機很有潛能作為直接驅(qū)動器使用。所以，以前基于超聲波電機原理的多自由度驅(qū)動器是被作如下設想的：Bansevicius發(fā)明了壓電多自由度驅(qū)動器，Amano 發(fā)明了一種多自由度超聲波驅(qū)動器，Toyama 發(fā)明了一種球形超聲波電機，還有Sasae 發(fā)明了球形驅(qū)動器。學者們還發(fā)明了一種新型的多自由度超聲波電機，它利用棒狀定子的三

5、種自由振動模態(tài)來產(chǎn)生球形轉子的多自由度旋轉。11圖1 最大轉矩的比較 圖2 有限元模型既然超聲波電機顯示出如此的優(yōu)越性，那么多自由度超聲波電機應該有足夠的潛能去替代現(xiàn)已存在的由單自由度電磁電機組成的多自由度運動單元。然而，大多數(shù)這種多自由度超聲波電機有一個比轉子大的定子。和由電磁電機組成的多自由度運動單元相比，這種驅(qū)動器在體積和重量上幾乎沒有優(yōu)勢。另外，用來驅(qū)動電機的高頻交變電流可能成為另一個問題，因為一個復雜并強大的驅(qū)動電源是必須的。所以，為了顯示多自由度超聲波電機的優(yōu)點，一種具有緊湊結構和簡單驅(qū)動電路的新穎的電機必須成為現(xiàn)實。所以，在這次研究中我們提出了一種新穎的多自由度超聲波電機的設計方

6、案和驅(qū)動電路，這種電機由球形轉子和非常緊湊的盤狀定子組成。以前關于多自由度超聲波電機的報導中，這種設計方案從未實現(xiàn)過。具有緊湊定子和簡單驅(qū)動電路的超聲波電機很適合用于機器人眼睛控制，激光處理和其他一些應用。在這篇文章中，首先描述了定子振動模態(tài)的基本設計和驅(qū)動原理。接著介紹了用有限元法詳細分析定子的設計和已生產(chǎn)出的電機的模型，在解釋了驅(qū)動試驗的過程后，又重新介紹了超聲波電機的自激驅(qū)動電路，最后，我們對這次研究的結論進行了描述。II驅(qū)動原理超聲波電機是一種靠摩檫力驅(qū)動的電機，一般由定子和轉子組成。典型的超聲波電機利用定子的兩種簡單的振動來驅(qū)動轉子。定子振動產(chǎn)生的能量通過定轉子間的摩檫傳遞給旋轉的轉

7、子。在普通的單自由度超聲波電機的情況下，這兩種振動形式使定子上的質(zhì)點繞著有精確轉軸的橢圓軌道運行，這樣，和定子有接觸的轉子在摩檫力的驅(qū)動下就會繞軸旋轉。為了實現(xiàn)多自由度超聲波電機，我們必須對單自由度超聲波電機的驅(qū)動能力進行擴展。那就是，當轉子和定子的接觸點沿橢圓軌道的轉軸隨意變動時實現(xiàn)轉子的多自由度運轉。所以，兩兩正交的三種自然振動的頻率必須適合產(chǎn)生任一軸軌道。聯(lián)系任一點的三種正交的振動，有相同的頻率，適當?shù)恼穹拖辔?，質(zhì)點可以在任一軸的軌道上運動，因為軌道由三種正交振動的成分組成。也就是，多自由度超聲波電機的定子必須滿足以下條件：1） 三種振動模式的自然頻率相符；2） 振動模式的振動方向相互

8、正交；3） 定子幾何結構必須簡單易于生產(chǎn)4)三種模式必須是輕微振動以使不產(chǎn)生不必要的模式。就像在文章的第一部分中所提到的，一些滿足上述要求振動模態(tài)的定子已經(jīng)有生產(chǎn)。盡管如此，大多數(shù)這種定子結構不夠緊湊，很難解決尺寸問題。這就意味著在以前的設計方案中多自由度超聲波電機最重要的優(yōu)點并未顯現(xiàn)出來。我們采用盤狀定子的基本振動模態(tài)來解決這個問題。由于定子有很多種振動模式，我們仔細考慮了上述提到的要求以選擇適當?shù)恼駝幽Ｊ?。我們采用有限元分析法來確認模式形狀（如圖2）。從分析的結果我們選擇如圖3所示的三種自然振動模態(tài)。在整篇文章中圖3所示為簡單的參考結構。圖中的小方格代表振動的質(zhì)點，在那里質(zhì)點在z軸方向上的

9、位移為零。模態(tài)圖中的正負號代表研沿z軸方向的空間相位。圖3 自然振蕩模式（a）模式1（b）模式2（c）模式3當和轉子的接觸點位于圖三中ABCD四個點時，根據(jù)各自的振動情況，它們主要振動方向如下：模式1，沿z軸方向模式2，沿y軸方向模式3，沿x軸方向如果三種振動的自然頻率相符，質(zhì)點的任意橢圓軌道就能形成。在模式1和2下，它們之間由于有/2的相位差而相聯(lián)系，質(zhì)點沿著x軸運動。如果模式2和3相聯(lián)系，那么質(zhì)點沿著z軸運動。也就是說，質(zhì)點可以選擇性的沿x,y或z軸運動。那么，如果球形轉子和盤子質(zhì)點ABCD相接觸時，轉子靠轉子和定子之間的摩擦力沿著任一軸旋轉，意味著電機是駐波型超聲波電機。另外，當三種運動

10、適當?shù)慕Y合時，質(zhì)點可以繞著任一軸運動。這就是說轉子可以繞著三維空間的任一軸旋轉。為了詳細分析接觸機構，可以用分散模型分析法或者詳細的有限元分析法。III設計與制造我們剛剛討論了質(zhì)點的運動情況。無論如何，使振動的自然頻率相符非常重要。在這一節(jié)中，描述了用有限元法分析定子的詳細結構。圖4 定子的有限元模型 表1 材料屬性圖4顯示了所設計定子的有限元模型。模型由黃銅、樹脂和壓電部分組成，各自材料的屬性如表1中所示。定子有20平方毫米大5毫米高。所分析的振動模態(tài)如圖5所示。所有的自然頻率基本上接近24千赫茲?；镜脑O計過程如下。模式1和模式2（3）的自然頻率基本上不同（既然模式2和模式3相似有不同的振

11、動方向，他們的自然頻率理論上是相同的）。為了調(diào)整自然頻率，當劇烈振動時有強大應變產(chǎn)生的截面必須考慮進去。如果那里的硬度大，那么這種模式的自然頻率變得更高。即我們必須使定子有低硬度區(qū)域，以使自然頻率相符。低硬度截面的深度用作一個設計參數(shù)。圖5 定子的自然振蕩模式（a）模式1（b）模式2（c）模式3根據(jù)有限元模型，多自由度超聲波電機的幾何結構的設計如圖6所示。多自由度超聲波電機由不銹鋼的球形轉子和盤狀定子組成。定子由黃銅部分、樹脂部分和壓電陶瓷片組成。黃銅部分的低硬度區(qū)域有調(diào)整自然頻率和擴大接觸點振動振幅的作用。樹脂安置在定轉子的接觸點。這就允許接觸點有適當?shù)挠捕裙┠Σ亮τ行У尿?qū)動轉子。樹脂部分采

12、用制造業(yè)中的公差（大約0.01毫米）。盡管如此，制造業(yè)中的公差對設計的電機結構基本上沒有影響，因為定轉子間通過引力應用了預加負荷。安置壓電陶瓷片是為了激起自激振蕩。圖7和表2顯示了激起振蕩的壓電陶瓷片的輸入。圖6 多自由度超聲波電機的幾何結構圖7 壓電陶瓷片的輸入表2 壓電陶瓷片的輸入相位 圖8 多自由度超聲電機的原型圖8顯示了具有盤狀定子的多自由度超聲波電機的原型。轉子的體積是定子的1.52倍，而價值是我們以前多自由度超聲波電機的22%，意味著所設計的電機在體積上是有優(yōu)勢的。然而現(xiàn)在，電機仍需要有一個轉子支撐機構（引力提供的預加負荷），用電磁力，我們可以構造一種簡單的結構來支撐轉子。這種電磁

13、預加負荷裝置的想法和我們在以前的研究中所介紹的相同。IV實驗A振蕩特征有必要通過實驗用有限元分析法證實自然頻率和三種振動的形態(tài)。這部分描述了振蕩測試的結果。表3 振動的自然頻率首先測量了三種振動的自然頻率，結果如表3所示。為了對照，用有限元法的特征值分析出的結果也顯示在表格中。自然頻率的測量值和理論分析值的誤差在10%左右。測量所得的頻率比分析所得值小，因為在有限元模型中并未模擬邊界，降低了定子的硬度。盡管如此，采用文章中第二部分描述的驅(qū)動原理，可以認為振蕩的自然頻率能夠驅(qū)動轉子旋轉。表4 接觸點的運動圖9 定子上激勵的振蕩（a）模式1（b）模式2（c）模式3再者，為了證實模態(tài)形狀，當定子上激

14、勵有振蕩時，我們測量了接觸點的運動。表格4列出了測量的結果。對陶瓷片的交流輸入信號的頻率和振幅分別大約為23千赫茲和20伏。表格4中的符號代表運動質(zhì)點的空間相位。圖9顯示了振蕩模式概念上的說明，這從表格4中可看出來。比較圖9和圖3，我們可以說激勵的振蕩和所期望的是不同的。對模式1，除了振動方向有一點點區(qū)別以外，所有的形態(tài)相似?？梢哉J為制造硬度和材料性質(zhì)是造成不同的與原因。然而，質(zhì)點的振動方向和所期望的基本一致。另一方面，模式2和3和圖3中相比有完全不同的模式形態(tài)。細心觀察后，你會發(fā)現(xiàn)圖9中的模式2和3是圖3中結合。例如，如果圖3中的模式2和3同時在定子上被激勵，定子按圖9中的模式2振動。也就是

15、說振動模式基本相同。圖10對模式結合有概念上說明。雖然圖10的上面顯示了完全平方的盤子會有兩種正交的振蕩模式，我們知道因為加工誤差，像圖10下面顯示的，兩種相配的振蕩模式會線性結合。另外，盤子上的阻尼可能會引起模式旋轉。圖10 模式關系由上面提及的結果，表格5總結了驅(qū)動轉子沿參考結構的任一軸旋轉的輸入信號的相位關系。根據(jù)表格5中的相位關系，轉子就像在第二部分描述的那樣被驅(qū)動而旋轉。表5 驅(qū)動輸入的相位關系B驅(qū)動特征超聲波電機有三種交流輸入信號，它們的頻率相同，振幅和相位獨立。證實每個參數(shù)的驅(qū)動特征非常重要。因為頻率的改變會導致振動振幅的變化，我們只測量了繞軸旋轉的速度和頻率相位之間的關系，作為

16、多自由度超聲波電機的驅(qū)動特征。圖11 旋轉速度和頻率關系圖表6 驅(qū)動條件首先，我們測量了旋轉速度和驅(qū)動頻率的關系（如圖11）。除頻率外的輸入?yún)?shù)都描述在表格6中。沿x（y）和z軸的旋轉速度最高分別達300和500轉每分左右，還有22.3千赫茲的頻率，和上面描述的三種振動的自然頻率幾乎相同。上述特征和傳統(tǒng)的單自由度超聲波電機相同。在定子的共振頻率附近振動速率增大，意思是說轉子的旋轉速率達到最大值。第二，我們測量了旋轉速度和相位差的關系。這里，術語“相位差”指用來驅(qū)動轉子的兩種振動的相位差值。圖12顯示了測量結果。振幅和表格6中的相同，頻率為22.3千赫茲。旋轉速度的符號代表旋轉的方向。圖12中所

17、得的曲線形狀近似正弦波狀。原因如下：相位的變化導致接觸點運轉軌道形狀的變化。根據(jù)軌道變化，轉子切線方向上的質(zhì)點速率平穩(wěn)的從負變?yōu)檎?。注意不只是尺寸，軌道的形狀也在變化。這就引起轉子切線速率的非線性變化。再者，圖12中的曲線并不是嚴格的正弦曲線。理論上，如果相位差為零轉子將停轉，因為接觸點并不沿橢圓軌道運行（它們沿直線軌道運動）。然而，結果在圖12中偏左。這是因為振動的自然頻率并不完全相符。強迫振蕩下的共振相位曲線如圖13所示。所以，如果振動的自然頻率不同，輸入信號的相位差和所激勵的振動并不相配。這就引起輸入信號激勵的振動相位的延遲。由于相位變化，曲線稍向左移。圖12 旋轉速度和相位的關系 圖1

18、3 共振相位曲線V自激振蕩驅(qū)動電路對驅(qū)動超聲波電機而言，定子自然振蕩驅(qū)動器是重點之一。所以我們一般用功能驅(qū)動器和脈沖發(fā)生器來提供超聲波電機適當頻率的交流信號。意思是說，我們要認真調(diào)整信號頻率以激勵所需要的振蕩，或者我們增加另一回路用作諧振探測器。這使得系統(tǒng)變得復雜。所以我們想介紹一下超聲波電機的自激振蕩電路理論。前面已出現(xiàn)了單自由度旋轉的自激振蕩超聲波電機，然而，這種電機只靠定子的單一振動來驅(qū)動。這里，我們提出了能產(chǎn)生兩相交流輸入的多自由度超聲波電機自激振蕩驅(qū)動電路。圖14 自激振蕩電路圖14顯示了一個普通的晶狀振蕩器電路。電路由共鳴器、電阻器、電容器和運算放大器組成。振蕩器輸入信號的頻率本身

19、也必須是晶狀體的諧振頻率。我們用晶片代替超聲波電機的定子，并調(diào)整了電路組成器件的屬性（Rs=10k歐姆，Rf1=Rf2=1M歐姆，Cf=68pF）。結果定子上必須產(chǎn)生所要求的自激振蕩。圖15 自激振蕩實驗結果圖15顯示了模式2自激振蕩的實驗結果，圖7中顯示的一部分陶瓷片被用作傳感器。輸入信號看上去像矩形波，因為信號需經(jīng)過運算放大器以得到足夠的電壓來驅(qū)動超聲波電機。結果（傳感器輸出電壓）證實定子上被成功的激起了振蕩。定子本身像低通濾波器一樣工作。圖16 相位轉換器 （a）相位超前 （b）相位置后自激振蕩電路以上面提到的方式工作。另外，我們還要輸入另一個相位交變的信號來驅(qū)動轉子繞軸旋轉，像文章第二部分所提到的。因此，由相位轉換機構（微分器）產(chǎn)生相位信號，如圖16所示，其中Rps=68k歐姆，Cps=68pF。由自激振蕩電路和相位轉換機構，我們構造了電機的一種自激振蕩驅(qū)動電路。圖17顯示了由上述電路結構產(chǎn)生的信號。雖然信號中包含有高頻成分，但主要成分頻率為2