（控制理论与控制工程专业论文）机器人多自由度关节的实现.pdf

摘要 基于目前机器人研究领域需要研究的关键技术之一新机构 的研究， 我们提出了一种新型的、 微型的、 多自由 度的机器人关节结 构。 该关节使得要由多个关节通过连杆实现的多自由度动作在一个关 节中得以实现。 这样可以用体积小、 重量轻的简单机构取代以往庞大、 臃肿的复杂机构，使得机器人的应用领域向小型化微型化空间拓展; 而且由于本结构的机械设计上的特点， 使得本关节作用空间较大， 基 本上可以满足众多应用场合的需要。 通常在机器人领域执行元件采用电磁式电机， 为了获得低速、 高 力矩需要齿轮减速机构， 因而又增加了关节的体积和重量。 本关节驱 动元件采用超声波电 机， 因为超声波电 机独特的工作原理， 定转子之 间用较大的压紧力压紧， 断电后有很大的自 锁力， 因此当关节运动到 指定位置时不需要蜗轮蜗杆机构就可以实现自 锁。 针对我们提出的多自由度关节， 本文在以下几个方面作了研究工 作: ( 1 )根据超声波电机的大小设计出关节的结构及大小，并加工 出关节。 ( 2 )针对使用的超声波电机的特点 利用单片机进行控制。 ( 3 )设计了 相应的硬件电路并分别在上位机和下位机上用软件 编程，对关节的转动进行有效的控制。 关键词:机器人，多自由 度， 关节， 超声波电机， 单片机， 模块化程 序设计 abs tract b e c a u s e t h e n e w r o b o t s t r u c t u r e i s s t i l l o n e o f t h e k e y i s s u e s i n t h e c u r r e n t r o b o t r e s e a r c h in g f i l e d .t h e p a p e r p r o p o s e s a n e w k i n d o f r o b o t j o i n t w h i c h h a d m o r e d e g r e e s o f fr e e d o m . t h e n e w j o i n t h a s n o t o n ly s m a l l e r v o l u m e , l i g h t e r w e i g h , b u t a l s o h a s b i g g e r a c t i o n s p a c e . o n l y o n e s u c h j o i n t c a n r e a l i z e t h e m o r e d e g r e e s o f fr e e d o m , w h i c h c o u l d b e d o n e t h r o u g h m o r e s i n g l e d e g r e e j o i n t s l i n k e d b y r o d s i n m a n y a p p l y in g f i e l d s . t h e n e w j o i n t s t r u c t u r e c a n s i m p l i f y s t r u c t u r e , d e c r e a s e c o m p l e x i ty a n d im p r o v e f a c i l i ty . t h e s e a d v a n t a g e s c a n m a k e r o b o t - a p p ly i n g f i e l d s i n t o m i c r o m i n i a t u r i z a t i o n a n d m i n i a t u r i z a t i o n . mo r e o v e r , d u e t o t h e n e w s t r u c t u r e s p r o p e r ti e s f o r m e c h a n i c a l d e s i g n , t h e n e w j o in t h a s b i g g e r a c t i o n s p a c e . i n r o b o t r e a l m e l e c t r o m a g n e t i c m o t o r s h a v e g e n e r a l l y b e e n u s e d t o b e d r i v e n e l e m e n t s , s o r e d u c t i o n d e v i c e s m u s t b e c o n n e c t e d t o e l e c t r o m a g n e t i c m o t o r s i n o r d e r t o o b t a i n l a r g e t o r q u e a t l o w s p e e d , w h i c h i n c r e a s e s t h e t o t a l v o l u m e a n d w e i g h t o f t h e j o i n t . u l t r a s o n i c m o t o r s h a v e b e e n u s e d i n t h e j o i n t b e c a u s e o f i t s s p e c i a l w o r k i n g p r i n c i p l e . i t s r o t o r a n d s t a t o r h a v e b e e n t i g h t l y p r e s s e d t o g e t h e r t o g e n e r a t e b i g s e l f - l o c k p o w e r w h e n o u t o f t h e e l e c t r i c ity . s o j o i n t c a n m o v e t o t h e a p p o i n t e d p o s i t i o n a n d d o n o t n e e d w o r m w h e e l a n d w o r m . t o b e a i m e d a t t h e j o i n t w e p r o p o s e d , w e a l s o d o a n o t h e r m o r e w o r k a s f o l l o w i n g : ( t ) b a s e d o n s i z e o f t h e u l t r a s o n i c m o t o r w e d e s i g n e d t h e s t r u c t u r e a n d s i z e o f t h e j o i n t . ( z ) b a s e d o n t h e u l t r a s o n i c m o t o r w e u s e d t h e s i n g l e c h i p t o c o n t r o l . ( 3 ) w e d e s i g n e d t h e h a r d w a r e c i r c u i t a n d p r o g r a m m e d i n s u p e r v i s e c o m p u t e r a n d s l a v e c o m p u t e r r e s p e c t i v e l y , w h i c h c a n c o n t r o l j o i n t t o a c t e ff e c t i v e ly . k e y wo r d s : r o b o t , mo r e d e g r e e s o f f r e e d o m , j o i n t , u l t r a s o n i c m o t o r , s i n g l e - c h ip c o m p u t e r , mo d u l a r i z a t i o n d e s i g n 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 . 1 引言 自 从 1 9 6 1 年美国u n i m a t i o n公司推出第一台实用的工业机器人，直到今天， 工业机器人已 经广泛的应用于工业生产，创造出巨大的经济和社会效益。机器人 学作为一门边缘学科， 成为当前高技术发展的前沿科学之一，1 9 9 9 年7 月5 日 宋 健教授在国际自 动控制联合会第 1 4届大会报告中指出: “ 机器人学的进步和应用 是本世纪自 动控制最有说服力的成就， 是当代最高意义上的自 动化” 川。 机器人的 研究、开发、应用涉及许多学科，机器人技术是一门跨学科的综合性技术，机器 人学与高等动力学、材料力学、近代电子学、计算机科学、自 动控制理论与系统、 传感技术、信息技术、人工智能、仿生学、系统工程等科学密切相关、相互渗透、 共同发展。 进入9 0 年代以来，由于人工智能、计算机科学、传感器科学的长足进 步，使得机器人的研究在高水平上进行。 1 . 2机器人技术的发展 由于机器人技术是一项难度很大的高技术，它的发展受到国家工业基础和许 多相关技术的影响，我国机器人研究工作起步较晚，近几年在机器人理论研究、 样机设计研制、机器人应用工程等方面有了 可喜的发展，取得了一批成果。随着 机器人应用技术的推广，机器人技术对我国 传统工业的改造、工业生产的进步和 科技的发展将起到越来越重要的作用。 未来的 机器人技术， 将在以 下几个方面发展12 .3 1 . 1 . 2 . 1 操作臂行动向 1 、高速操作臂可以大大提高机器人的工作效率。为此必须开展新的手腕机 构和伺服驱动装置，以及能适应机械臂高速运动的变转动惯量的动态控制方法等 的研究。 2 .柔性操作臂目 前的操作臂自 身质量要比 它所能抓起的质量大的多。 如手 臂的自 身质量为3 0 k g ， 仅能搬运还不到1 0 k g 的物体， 这与人臂相比要小的多， 其 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 主要原因在驱动装置和轻型材料。 3 . 冗余自由度操作臂 要实现狭小空间的操作， 研制超多自由度的机械手是 完全必要的。 4 .高精度、多自由度力控制操作臂 5 、微型操作臂 1 .2 . 2其它技术的发展 1 、 新型移动装置， 移动信号传感技术， 移动路径的智能决策， 人机协调控制， 选择控制。 2 、 传感器技术。 3 、分布式计算机网络，机器人操作系统。 4 、人工智能，机器人知识库。 1 . 3 机器人的结构与分类 1 .3 . 1 机器人系统结构4 机器人系统是一个机电一体电的设备，从控制观点来分， 机器人系统可以分 为:机器人、控制器、环境与任务四部分。 机器人是由臂( 连杆) 、关节和末端执行器构成，一般是由一系列连杆由 旋转 关节或移动关节相连接的开式运动链，一端装在固定的支座上( 机座) ;另一端自 由，安装手爪、工具，实现各种操作。 控制器是个专用计算机，相当 于机器人的大脑，它以 程序方式来完成给定任 务。 环境即指机器人所处的周围环境， 它包括几何条件及相互关系等， 在环境中， 机器人会遇到一些障碍物和其它物体， 它必须避免与这些物体发生碰撞。 任务是机器人要完成的操作。它需要适当的程序语言来描述，并把它存入控 制计算机。 1 . 3 .2 机器人的分类 机器人的分类方法很多。 主要 按机器人的几何结构、 驱动方式来分. 1 、 按机械手的几何结构来分4 1 机器人机械手的机械配置形式多种多样，最常见的结构形式是用其坐标特性 来描述的。这些坐标结构包括笛卡儿坐标结构、 柱面坐标结构、极坐标结构、 球 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 面坐标结构和关节式球面坐标结构等。这里简单介绍柱面、球面和关节式球面坐 标结构三种最常见的机器人。 ( 1 ) 柱面坐标机器人。柱面坐标机器人主要是由垂直柱子、水平手臂、( 或机械 手) 和底座构成。水平机械手装在垂直柱子上，能自由伸缩，并可沿垂直柱子上下 运动。垂直柱子安装在底座上，并与水平机械手一起( 作为一个部件) 能在底座上 移动。这种机器人的工作区间如图1 - 1 所示。 店 应回林 仲 j产魔 皮团材 .宜场 . 几钾 幼相 图1 - 1 柱面坐标机器人 ( 2 ) 球面坐标机器人。如图1 - 2 所示，就像坦克的炮塔一样， 机械手能够作里 州申 缩移动、在垂直平面上摆动以 及绕底座在水平面上转动。因此，它的工作区 间形成球面的一部分。称为球面坐标机器人。 =(a mii n i ii v if4lfi 1 几 何 结 构 图1 - 2 球面坐标机器人 ( 3 ) 关节式球面坐标机器人。 这种机器人主要由 底座( 或躯干) 、上臂和前臂构 成。上臂和前臂可在通过底座的垂直平面上运动。如图 1 - 3所示。在前臂和上臂 间， 机械手有个肘关节;而在上臂和底座间，有个肩关节。在水平平面上的旋转 运动，既可由肩关节进行，也可以 绕底座旋转来实现。它的工作区间形成球面的 大部分，称为关节式球面机器人。 浙江丁业大学硕士学位论文第一章绪论 射鸯曲 l ( 提升1 - 、 、. 勺 .i r(佰1 术早回摘 底生 图 1 - 3 2 、按机械手的驱动方式分s 1 a魔 座旋 林) 几何结构 关节式球面机器人 按照机械手驱动方式分类，主要有液压、气压和电气驱动三种。 ( 1 ) 液压式。液压驱动机器人通常由液动机、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动 系统，由驱动机器人的执行机构进行工作。 优点是有很大的抓举能力、刚度大、 防爆性好;缺点是液压元件要求有较高的制造精度和密封性能，管理、维修技术 要求高。 ( 2 ) 气压式。其驱动系统通常由缸、气阀、气罐和空压机组成， 其特点是气源 方便、动作迅速、结构简单、造价较高、维修方便: 缺点是难以进行准确的速度 和位置控制。 ( 3 ) 电气式。电气驱动是目前机器人使用最多的一种驱动方式，其特点是电源 方便，响应快，信号检测及处理方便，并可以采用多种灵活的控制方案。 对于轻载作业，出于相对廉价和洁净的原因，常采用伺服电 机驱动的机器人 16 1 ， 机器人接受计算机的指令， 按预定的 速度和轨迹运动到预定的位置上， 或完成 一系列复杂的 操作， 这些动作都是由 伺服驱动系统来完成的，而伺服驱动系统离 不开驱动电机， 而且由于伺服电机的功率/ 质量比太低，只有高速时才能有最大功 率，因此使用时需用减速器降低机器人的运行速度。但是，引入的减速机构又带 来结构复杂、 传动误差增加、 磨擦增大、重量增大和成本高等问 题。为此， 有必 要寻找一种无需对电 动机进行减速、能直接驱动机器人关节的方法。针对这种需 要， 提出了直接驱动技术h l 。即将负载直接刚性的连接到电机轴上。直接驱动技 术的核心的是设计专门的直接驱动电机，以获得低速、高力矩输出，以免除了使 用减速器的必要，同时也可以获得更高的驱动性能。直接驱动机器人具有的优点 主要是:高精度、重量轻、高刚性、机械结构设计简单。 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 多自由度关节的提出 1 4 1 现有的多自由度关节的研究现状 机器人多自由度关节的研究主要集中在对机器人柔性手腕的研究，下面主要 介绍一下机器人手腕的研究现状。 从第一台机器人的手腕开始，手腕的研制取得了迅速的发展，最早的例子首 推芝加哥阿根尼国家实验室r a y m o n dc g o e r t z 设计的3 轴遥控手腕【8 】。这种简单 的r p r ( r o l l p i t c h r o l l ) 手腕运动不太灵活，主要被用于四五十年代的核原料处 理。 以后，被称为机器人技术之父的g e o r g ed e v o l1 9 1 设计了第一个 r p y ( r o l 卜p i t c h y a w ) 手腕并获得专利。从7 0 年代末开始一直到今天，越来越多 的机器人手腕获得了专利权，证明了手腕的重要性。最早提出柔性手腕的是有机 器人先驱之称的o l em o l a u g ，7 0 年代末他研制的基于凹凸齿传动的柔性手腕是一 种r p y 手腕，这种手腕活动范围大、运动灵活，被装于t r a l l f a 喷漆机器人并一 直应用到现在。在这之后，柔性手腕的种类大大增加，主要有：平面连杆机构型。 如日本的p e n t o l 机械手；扰性件传动型，如以囊状肌肉为关节b u s s o 假手，钢丝 绳驱动机械手、蛇形机构；齿轮机构型，如球冠齿轮连杆机构传动的柔性手腕。 在所有的柔性手腕中，由于t r a l l f a 手腕具有新颖结构受到人们的广泛注意， 它的基本机构是一对“球冠齿轮”呻】，它是在一个球冠上制出若干个离散分布的 凹坑，在另一个球冠上镶嵌有同样数目的锥形指状齿。凹坑与指状齿啮合，从而 实现运动的传递。但这种球齿轮存在两个方面的缺陷：一是存在传动原理误差， 二是加工难度很大，手腕设计和制造非常麻烦，尤其是其中的齿轮副是由分布在 球冠上的凸齿和凹齿等特殊的齿轮副组成，制造难度很大，因此近年来，人们纷 纷寻求改进的方案。清华大学精密仪器与机械学系张昆【1 i 】采用单齿球面齿轮代替 原来的多齿式球面齿轮，解决了轮齿的干涉问题，取得较好的效果。国防科技大 学刘宪峰【9 】等提出球形齿轮传动的柔性手腕以加工制造及其容易的球面齿轮代替 凹凸齿啮合，其结构简单，结构简图如图卜4 所示。 在机器人关节机构的设计上，设计者总是期望关节机构具有大的运动范围( 全 方位) 和关节驱动电机尽可能摆在机座内以减轻臂重。在这方面，r o s h e i m 设计的 全方位腕机构1 1 2 】如图卜5 所示，是一种结构新颖、独特的机构，其特点借助于万 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 向节传动原理同时实现p i t c h 、r o l l 、y a w 运动，三个运动的驱动电机安装在基座 内，此外，通过中空的主轴还可以把机座内的第四个电机回转运动传递出来。 图卜4 球形齿轮机构的安装简图图卜5p i t c h r o l 卜y a w 全方位腕机构 对现有的拟人臂机构来说，p r y 结构无疑是一种灵活性很高的新型结构，但是， 结构存在着p i t c h 、y a w 运动祸合产生干涉的问题，在精确制造下机构无法运动。 哈尔滨工业大学的吴伟国【1 3 】利用双环解耦的方法解决了这个问题，并进一步设计 了新型p i t c h r o l l - y a w 关节机构，可以用作机器人机构中的肩关节和腕关节，用 作肩关节时可将四个电机完全放在机座内，从而减轻了臂重；用作腕关节时，该 机构中的中空轴内可用来走线。 通常大多数机械手是具有几个自由度的关节式机械结构，一般具有六个自由 度，其中头三个自由度引导夹手装置至所需位置，后三个自由度用来决定末端执 行装置的方向，如图1 - 6c 4 3 。其中r 。表示基旋转坐标系，c 为腕部，d 为夹手。处 于三维空间中的刚体，其位姿必须由6 个参数才能确定，所以一般的通用工业机 图卜6 机械手的儿何结构简图 器人都设计成具有6 个自由度，但是如果处理较为复杂的任务时机器人的工作范 浙江工业大学硕十学位论文第一章绪论 围将大为缩小，因此人们设计增加一个或数个自由度以改善机器人的工作能力， 这些增加的自由度即称为冗余自由度，这种机器人称为冗余自由度机器人。随着 机器人工作环境和任务的复杂化，冗余自由度机器人也得到了日益广泛的深入研 究(1 4 ,15 ,1 6 1 。 冗余自由度机器人研究中最基本的问题之一是多性能指标的优化，必要的优 化指标涉及:关节速度、关节运动范围、灵活性、躲避障碍物，关节力矩、动能 等 17 ,18 1 。 冗余自 由度机器人中比较典型的例子是t t - v g t 机器人11 9 1 , t t - v g t 机器人 是由多个四面体组成变几何析机器人， 如图1 - 7 所示，平面a b c为机器人的 基础 平台 ， 它的 基 本 单 元中 各 杆 之间由 球 铰 连 接， 通 过 可 伸 缩i ; ( i = 1 , 2 , . . . . . . n ) 的 长 度 变化来改变机构的构形，机器人的夹持器位于末端平台 h i j的中心处。变几何析 架机器人是一种新型的机器人，具有刚度大，承载能力强和定位精确等，而且还 可设计成可折叠机构，但是机械加工难度大。 图1 - 7 t t -v g t 结构机器人 1 . 4 .2多自 由 度单关节 结构的 提出 机器人技术水平的高低目 前已 经成为衡量一个国 家高新技术实力强弱的关键 性指标之一，机器人在众多国家生产部门大量应用，提高了劳动生产率，降低了 劳动成本。但是从图 1 - 1 至 1 - 7 可以 看出，目 前大部分的机器人的多自由 度运动 都是由几个关节由连杆等连接通过旋转和平移运动产生的，驱动机构大部分采用 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 电磁式伺服电机，因此结构比较复杂，体积也比较庞大，精度也不是很高。现有 的种种多自由度关节存在着如下几个方面的缺陷:( 1 ) 机械零件加工困难;( 2 ) 机 械安装复杂;( 3 ) 多个关节通过连杆连接实现多自由度运动，因此，离实际应用还 有一定距离。针对上述问题本文提出一种新型的多自由度单关节结构，该关节结 构比较简单，只用单独一个关节就可以实现多自由度运动。本文提出的只用单独 一个关节就可以实现多自由度运动，利用直接驱动技术，采用超声波电机驱动关 节运动，将机器人的应用领域向小型化、微型化空间拓展，因此具有非常重要的 现实意义。 1 . 5 本文主 要研究内 容 在国内外一系列多自由 度关节的基础上，针对已 有的多自由度关节的缺点即 体积比 较庞大，结构比较复杂，多自由度运动是通过几个关节通过连杆连接利用 平移和旋转运动协调运动产生的，运动空间比较小，驱动采用电磁式电机，精度 不高，我们提出了一种新型的、基于超声波电机驱动的、利用单独一个关节就可 以实现多自由度运动的机器人关节。本文主要研究如何使用超声波电 机驱动关节 的运动，针对本文所使用的超声波电机采用单片机实现控制，控制方法简单易行， 位置控制精度达到0 . 3 6 。本文研究的内 容主要有以下几个方面: 1根据所使用的超声波电机的具体形状及尺寸设计出关节的具体形状尺寸并 制造出来。 2根据超声波电机的特点利用单片机对其实行闭环控制，设计出相应的控制 电路。 3上位机采用v c 语言，下位机即单片机使用高级语言k e i 1 c 语言和汇编语言 混合编程利用模块化程序设计技术编程。 1 . 6本文各章内 容安排 本文分为六章: 第一章首先介绍机器人技术及其未来发展方向， 然后介绍机器人系统的结构 及分类，其次介绍多自由 度关节的研究现状及本文提出的多自由 度关节，最后介 绍本文主要研究内容。 第二章首先介绍超声波电机及其工作原理、性能特点，最后介绍本文所使用 的日本新生公司生产的超声波电机。 8 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 第三章本关节的结构及关节运动学，详细介绍本关节的具体形状及尺寸，然 后建立关节的运动学方程。 第四章硬件电路，主要介绍多自由度关节的基本控制方法及控制关节运动的 硬件电路。首先是本关节的整个控制思想，然后介绍本文所使用的超声波电机的 驱动器，最后介绍基于驱动器的控制电路。 第五章软件编程， 上位机采用v c 语言， 下位机即单片机采用k e i l c 语言，实 行模块化程序设计。 第六章结束语。对多自由度关节的研究工作做了总结和展望。 浙江t 业大学硕士学位论文 第二章超声波电机 第二章超声波电机 本章介绍多自由度关节的驱动元件超声波电机，本关节采用超声波电机 是因为它独特的性能特点，即定转子之间用较大的压紧力压紧，断电后有很大的 自锁力，当关节运动到指定位置时不需要蜗轮蜗杆机构就可以实现自锁。 超声波电机作为8 0 年代快速发展起来的一种直接驱动电机，由于性能卓越， 应用前景广泛，备受科技界和工业界的重视，为当前机电控制的一个研究热点， 本章首先介绍多自由度关节的驱动元件一一超声波电机的发展历史，其次介绍其 原理、特点、分类、应用、及目前的研究热点，最后介绍本文所使用的超声波电 机。 2 1 超声波电机的发展历史 从1 8 1 9 年丹麦科学家h a n sc h r i s t i a n 发现电流的磁效应，到1 8 7 9 年在柏 林万国博览会上展示出实用的电机。从那以为，几乎所有的电机都是根据电磁相 互作用的原理设计的。 随着科学技术的飞速发展，各种电子设备、精密仪器、机器人等日益趋向于 小型化、精密化、静音化。这对微电机伺服控制系统的性能指标提出了越来越高 的要求( 如低速大转矩、快速精密定位、电磁兼容等) 。一般的伺服驱动控制系统 中主要是传统的伺服电机驱动，为获得定位控制系统所要示的低速大转矩的特 性，必须使用减速传动机构，这不仅增加了机械部件的复杂性和重量，而且减速 齿轮对驱动系统的反冲效应、对进给量的放大效就等影响都是不可避免的，这严 重阻碍了控制系统快速性和精确性的提高。因而，多年来科技界和工业界技术人 员进行了不懈的努力，寻求各种更为适宜的直接驱动方式，以满足各种装置小型 化和精密化的要求，其结果之一是促进了微特电机的蓬勃兴起。结果之二是提出 了几种新型电机，如片状电机、静电电机、超声波电机等【2 0 】。 早在1 9 7 3 年，美国i b m 公司的h v b a r t h 就提出了超声波电机的工作原理， 他研制成的电动机如图2 1 所示【2 l l ，由一个转子和两个振子构成，当振子( 1 ) 激 振时转子顺时针方向回转，当振子( 2 ) 激振时，转子逆时针方向回转。 0 浙江工业人学硕士学位论文 第二章超声波电机 撮子( 1 ) 2 ) 斟2 - 11 t v b a r t h 的超声波电机 1 9 7 8 年。v a 6 r o m a k o v s k y 等人提出了如图2 2 所示原理的压电电动机f 2 2 j 。 它是利用一个夹在两块金属之间的压电体组成的超声传感器，它不仅降低了共振 频率而且放大了振幅，它利用一个反馈环来控制振幅。振子的纵向振动传送给和 转子联接在起的振动块，振动块振动时通过磨擦驱动转子。 振动块 金属 图2 - 2v 丸g r o m a k o v s k y 等人发明的压电电机 使超声波电动机真正走上实用的是日本的指田年生【2 2 】，在1 9 8 0 年成功制造 了一种振动片型超声波电动机如图2 3 所示。所用振子是用螺栓压紧的兰杰文振 子，一种能工作在超声领域的切割式振子。振子的前端面作纵向振动，其上安装 楔形的振动片，振动片前端跟圆板状的转子接触，前端的运动轨迹是一个变形了 的椭圆。这种超声波电动机具有高速性，无负荷速度是2 0 0 0 r p m ；高效率，最大 效率达6 0 ；寿命短，因为振动片和转子之间近乎直角的接触，两者之间接触和 脱离瞬问的滑移无法解决，因此产生的磨损使寿命较短。为了解决这个问题，指 田年生在1 9 8 2 年发明了行波型超声波电动机，该电机的原理利用行波在有限弹 性体内传播时表面质点产生的椭圆运动，行波型超声波电动机只需改变驱动相位 差即可实现正反转，而且定子、转子之间是多点轮流接触，磨擦很小。行波型超 声波电动机具有良好的应用前景，引起了众多大公司和大学的兴趣，争先对超声 波电动机进行研究和开发，从而使超声波电动机进入大规模的实验研究和使用化 浙江工业大学硕士学位论文 第二章超声波电机 开发阶段。 图2 - 3 楔形电动机的截面图 2 2 超声波电机的工作原理 众所周知，人耳所能听到的声音频率范围为2 0 h z 到2 0 k h z ，频率超过2 0 k h z 的声波称为超声波。因为压电晶体和振子是超声波电机的关键部件，所以先介绍 压电陶瓷的压电效应【2 2 】，压电效应( p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ) 是在1 8 8 0 年居里 ( c u r i e ) 兄弟首先从口一石英晶体( 水晶) 上发现的。一般在电场的作用下，可 以引起电介质中带电粒子的相对位移而发生极化。但是在某些电介质晶体中，也 可以通过纯粹的机械应力作用而发生极化，并导致介质两端表面内出现符号相反 的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械力的作用而使介质发生极 化的现象称为正压电效应。晶体的这一性质就叫压电性。反之，如果将一块压电 晶体置于外电场中，由于电场作用，会引起晶体内部正负电荷重心的位移。这一 极化位移又导致了晶体发生形变，这个效应就称为逆压电效应。超声波电机是一 种利用超声振动能作为驱动源的电机，它将电能通过压电晶体利用逆压电效应转 变为机械振动能，然后又借助摩擦力将交变的机械振动能转变为单一方向的动 能。因而其超声频域振动作用又和压电晶体联系起来。压电晶体是一种施加电压 会产生变形的陶瓷，一般其变形量极小，是j 鲫级，要使其高效的产生变形，最 好的方法是施加超声频率的交流电使其产生谐振。因此，可以说，超声波电机就 是把往复的机械振动通过机械变换产生直线运动或回转运动的装置。值得注意的 一点是：超声波电机并不是利用人耳听不到的超声波，而是利用压电陶瓷在超声 频域的振动，把电能转换为振动能量，然后再变换为机械能。 超声波电机的种类很多，本文以结构比较成熟并且已有实用化产品的行波型 超声波电机为例，对超声波电机的工作原理作一简单介绍 2 0 2 12 2 1 。 图2 - 4 是行波型超声波电机的结构剖面图。它由定子、转子、轴和弹性加 浙江工业人学硕士学位论文第二章超声波电机 压环构成。 定子所用的材料是黄铜片，上面刻有一圈梳状槽，p z t 压电陶瓷粘在其反面。 梳状槽的作用有两个：一个作用是放大p z t 压电陶瓷产生的振动；另一个作用是 将磨擦产生的粉末引入槽内，以保持接触面的清洁。转子是用铝合金制成，并附 有一层高分子材料，以增加磨擦力。定子和转子通过弹性加压环轴向地压在一起， 以保持定子和转子总是处于良好的接触状态，其压力的大小可以在安装时加以调 节。 一再餐 定于 图2 - 4 行波型超声波电机的结构剖面图 图2 - 5 是粘结在定子上的p z t 压电陶瓷构成的环形压电体的电极配置图。 鼙嘏 图2 - 5 电极的配置图 圆环的周长是行波波长的9 倍，压电体的表面电极被分成1 8 段4 个部分。a 部分和b 部分各有8 片压电陶瓷，相邻压电陶瓷的极性相反，每片压电陶瓷的长 度为2 2 ，十号和一号代表压电陶瓷的极性方向，c 部分和d 部分分别长3 4 五和 浙江工业大学硕上学位论文 第二章超声波电机 1 4 a ，c 部分作为公共端接地，d 部分为一1 4 a 波长孤立的压电片，可以作为 监测超声波电机是否处于共振状态的一个传感器。为了在这样一个粘有压电陶瓷 的弹性体( 定子) 上产生行波，可以在a 部分加上正弦波电压，在b 部分加上余弦 波电压( 与正弦波相位相差9 0 。) ，它们可以分别在弹性体上激起驻波。由于a 、b 两组电极在空间相隔2 4 ，即空间相位差亦为9 0 。( ：r e 2 ) 。根据波动原理，两路 幅值相等，频率相同，时间和空间均相差9 0 。的两相驻波叠加后可以合成一个行 波，为了更清楚地说明这一点，可作数学分析如下： 由正弦电压激发的驻波为：u l ( x ，f ) = 厶s i n n x s i n r o t ( 1 ) 由余弦电压激发的驻波为：u 2 ( x ，f ) = 4c o s 脏c o s 耐 ( 2 ) ( 1 ) 式和( 2 ) 式中 u 1 和u ：一一弹性压电体表面粒子的纵向振动位移 4 。一一振幅 r l 一- 2 ； c x 一一波的行进距离 f 一一时间 一- 2 碡 这两个驻波叠加后，u ( x ，t ) = u 、o ，r ) + u 2 ( x ，) = as i n n x s i n o x + a oc o s n l c o s 0 对= a oc o s ( n x 一耐) ( 3 ) 恰好为一行波波动方程，这就证明了只要满足以下两个条件： a 两相激励电压在时间上相差疗2 相位 b 两组电极在空间上相差a 4 波长 就可以在弹性体中产生一个行波。 下面，我们再来考察一下，弹性体表面一个质点p 在行波驱动下的运动情况a 设弹性体的厚度为t ，当弹性体内激发起弯曲行波后，其表面粒子p 在垂直 于弹性体平面的位移y 和x ，可以证明 x = 一一。n t 2 s i n ( o n 一麟) ( 4 ) 1 4 浙江工业大学硕士学位论文第二章超声波电机 y = t 2 + a oc o s ( n x 一耐) ( 5 ) 由( 4 ) 式和( 5 ) 式可得： x 2 ( t n a o 2 ) 2 + ( y t 2 ) 2 a 0 2 = 1 ( 6 ) ( 6 ) 式为一椭圆方程，说明弹性体上的任一点p ，在弯曲行波的作用下，是 作椭圆运动。该椭圆运动在x 方向上产生的分量，其方向与行波运动的方向相反。 压在弹性体( 定子) 上面的移动体( 转子) ，受到作椭圆运动的定子表面粒子的驱 动，就会如图2 - 6 所示，向与行波方向相反的方向转动。 在无相对滑动的状态下，转子旋转的速度矿可以根据( 4 ) 式导出， 矿= o x = 一n c o t a o 2 c o s ( 甜一n x ) ( h = 2 x 2 ) ( 7 ) 叫 在与弹性体的接触点，速度达到最大，由( 7 ) 式可得最大速度。 = 一n c o t a o 2 = 一舷t 2 ( 8 ) ( 8 ) 式中的负号表示质点p 运动方向与行波运动的方向相反。 萌体移封方自 渡避嚣方向 图2 - 6 超声波电机的旋转原理示意图 2 3 超声波电机的特点【2 l 】 超声波电机是一种新型的直接驱动型微电机，由于其原理完全不同于传统的 电磁式电机，因而具有很多不同于传统电磁式电机的特性。 ( 1 ) 低速大力矩，直接驱动 浙江工业大学硕士学位论文第二章 超声波电 机 y = t 1 2 + a o c o s ( n x 一 “)( 5 ) 由( 4 ) 式和( 5 ) 式可得: x l ( t n a , / 2 ) 2 + ( y 一 t / 2 ) z / a 。 2 = 1 ( 6 ) ( 6 ) 式为一椭圆方程，说明弹性体上的任一点 p ，在弯曲行波的作用下，是 作椭圆运动。 该椭圆运动在x 方向 上产生的分量， 其方向与行波运动的方向相反。 压在弹性体( 定子) 上面的移动体( 转子) ，受到作椭圆运动的定子表面粒子的驱 动，就会如图2 - 6 所示，向与行波方向 相反的方向转动。 在无相对滑动的状态下，转子旋转的速度v 可以根据( 4 ) 式导出， v _ 鱼= - n co t a / 2 c o s ( ra 一 n x ) a t ( n = 2 ; r / a ) ( 7 ) 在与弹性体的接触点，速度达到最大，由( 7 ) 式可得最大速度。 气=一 。 w t a , / 2 = - 7 r oo a , t / a ( 8 ) ( 8 ) 式中的负号表示质点p 运动方向与行波运动的方向相反。 图2 - 6超声波电 机的旋转原理示意图 2 .3 超声波电机的特点g q 超声 波电 机是一种新型的直接驱动型微电 机， 由于其原理完全不同于传统的 电磁式电机，因而具有很多不同于传统电磁式电机的 特性。 ( 1 ) 低速大力矩，直接驱动 浙江工业大学硕十学位论文 第_章超声波电机 在超声波电机中， 超声振动的振幅一般不超过几个微米， 振动速度 ( 角频率 与位移幅度的乘积) 只有几厘米每秒到几米每秒。 无滑动时转子速度由振动的速 度决定， 因此超声波电 机的转速一般很低， 每分钟十几转到几百转。 振动加速度 可以达到几千g ( g 为重力加速度) 。 若定子和转子之间的压力足够大， 转矩就很 大。 例如直径为6 0 。的超声波电 机 ( u s m - 6 0 ) 的 额定转矩可达3 . 2 k g 9 m . ( 2 ) 体积小、重量轻 超声波电机不用线圈， 也没有磁铁，结构相对简单，与普通电机相比， 在输 出转矩相同的情况下，可以做的更小、更轻、更薄。 ( 3 ) 反应速度快，控制特性好 超声波电机靠磨擦力的驱动， 移动体的重量较轻， 惯性小，响应速度快， 启 动和停止的时间为毫秒量级。 速度调节， 换向 均很容易， 可以实现高精度的 速度 和位置控制。 ( 4 ) 无电磁感应影响 超声波电机没有磁极，因此不受电磁感应的影响，对外界也不产生磁干扰。 ( 5 ) 停止时具有保持力矩 超声波电 机的定转子之间用较大的压紧力压紧， 断电 后有很大的自 锁力， 因 此当关节运动到指定位置时不需要蜗轮蜗杆机构就可以实现自 锁。 ( 6 ) 运动无噪声 超声波利用人耳听不到的超声振动驱动， 低速时产生大力矩， 无齿轮减速机 构， 运行非常安静。 ( 7 ) 形式灵活， 设计自由 度大 由于能够产生构成超声波电机驱动机理的结构形式多种多样， 而且超声波电 机的定转子可与运动系统中的固定部件和运动部件做成一体，电机结构形式灵 活， 能够充分满足不同结构空间的要求， 可方便的设计成旋转、 直线及多自由度 超声波电 机。 目 前超声波电 机还存在着一些问 题，主要是以下几点; ( 1 ) 寿命短 超声波电机的寿命目 前大约是2 0 0 0 小时，与传统的电机相比，长时间工作 的耐欠性还不尽人意。 浙江工业大学硕士学位论文第二章 超声波电 机 ( 2 ) 需要高频电源驱动 为了能够激发定子振动体中的 超声振动， 必须有高频电源进行激振， 这给实 际使用带来了不便。 ( 3 ) 价格仍比较高 由于压电陶瓷及高频电源的成本，使得超声波电机在应用中成本仍比较高， 目 前还无法同多数的微电磁电机竞争。 ( 4 ) 目 前还没有完整的理论模型，因而多数设计是基于经验和针对特定电 机的。 2 . 4超声波电 机的分类。 超声波电机分类结果如图2 - 7 所示。 图2 一 7超声波电 机分类图 2 .5 超声波电机的应用 由于超声波电机具有低速大转矩、 无电磁干扰、 动作响应快、 无输入自 锁等 卓越特性， 在非连续运动领域、 精密控制领域要比 传统的电磁电机性能优越的多。 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 第二章超声波电机 因而相关的应用开发一直受到工业界的重视。最近十几年，在日本，超声波电机 己经进入实用化的商业应用阶段；在美国，超声波电机也在军事及航空上取得了 良好的应用1 2 , ，2 6 】。 l 相机自动对焦装置 1 9 8 7 年，佳能公司开发在e o s 照相机的自动变焦镜头中 2 0 2 22 7 1 ，这是超声波 电机应用特别成功的一例。跟采用的电磁型电动机的镜头相比，有这几个优点： 安静；定位精度高；调焦时间短：无齿轮减速机构，结构简单。目前超 声波电机已在佳能公司生产的照相机上大量采用。 2 机器人多自由度驱动 美国n a s a 的火星探测者计划中m 】，采用了高力矩密度的双面齿结构的超声 波电机，实现多功能自动爬行系统直线和旋转运动，能够可靠的工作在火星恶劣 的环境中。 3 汽车专用电器 目前丰田公司已在出口到美国的汽车反镜、方向盘和坐椅头靠应用了超声波 电机。 除此之外，超声波电机还在医疗器械、微机械系统的集成、特种加工工艺、 办公自动化设备i z ，】等方面都得到了较好的应用。 2 6 超声波电机目前的研究热点 国内外目前研究的领域有以下几个方面： 2 6 1 材料阻3 1 1 材料是制约超声波电机发展的决定性因素，超声波电机的转子和定子之间的 摩擦材料同样是决定超声波电机寿命的重要因素之一。因此，要求压电材料必须 同时具备以下性能： 1 、 有较大的机械强度，在大振幅、大功率的工作状态下，不断裂、不 发生退极化等现象。 2 、 内部能量损耗小、机械品质因数高。 3 、 机电耦合系数较大，能量转换效率高。 4 、 具有良好的形变和电压线性关系。 2 6 2 建模与设计1 3 2 浙江工业大学硕士学位论文第= 章超声波电机 到目前为止，还没有建立起一个完整而又精确的动态数学模型来估算超声波 电机的性能。在现有的模型中还未考虑定子和转子间界面力分布规律以及定子与 转子间界面力对超声波电机性能的影响。实际上，正是该界面力决定超声波电机 的性能。由于界面和换能材料的非线性，以及换能材料对温度的敏感性，导致了 有限元法只适用于确定定子共振频率，而不能用来估算电机的性能。目前超声波 电机的性能和结构设计主要依靠大量的试验和专家经验来进行，导致实际的超声 波电机性能与设计指标之间存在较大的差距。理论上，超声波电机的工作效率至 少能达到9 0 ，而目前实际的超声波电机效率不超过4 0 。为此，为提高超声波 电机的性能，必须开展对超声波电机的机理、数学模型、优化设计的理论研究。 2 6 3 新结构的研究 新结构的超声波电机现在正不断的涌现，目前国外已经有单位和个人丌始研 究多自由度球形超声波电机，南京航空航天大学提出了一种新型的两个自由度的 图2 8k e n j i r o 提出的多自由度超声波电列l 直线型超声波电机的结构，只用一个驱动振子实现两个自由度的直线运动【3 3 ， 日本的k e n j i r o w 1 等学者研制了可产生多自由度运动的超声波电机，由一个柱形 的定子和一个球形的转子构成，如图2 - 8 所示，可以产生三个自由度旋转运动。 2 6 4 驱动与控制 超声波电机的控制