多自由度球形超聲波電動機姿態(tài)測控技術綜述

王 劍，白 洋，郭吉豐

(浙江大學，杭州310027)

0 引 言

超聲波電動機利用壓電材料的逆壓電效應，使定子產生大于20 kHz的高頻振動，通過定、轉子之間的摩擦耦合輸出運動和力矩，可滿足微特電機面臨的諸多新需求［1］。與傳統(tǒng)電磁型電機相比，超聲波電動機擁有獨特的優(yōu)勢，在航天軍工、微型機器人、精密定位、光學鏡頭和醫(yī)療器械等領域具有廣闊的應用前景［2－4］。特別是南航研制的Φ30 mm行波型超聲波電動機，搭載在“玉兔號”月球探測車上，負責紅外成像光譜儀定標板的驅動與控制［5］。超聲波電動機在探月計劃中的成功應用開啟了其發(fā)展的新篇章。

科技進步助推電機水平持續(xù)提升，多自由度電機也應運而生，適用于空間機構和多維驅動場合，如機器人關節(jié)、智能安防監(jiān)控和精密定位平臺等。最初的多自由度電機沿用電磁原理，而電磁型電機構造空間磁場不易，結構與控制也較復雜。借助能量轉換形式的多樣化，部分學者獨辟蹊徑，選擇壓電原理來構造多自由度電機，形成的多自由度超聲波電動機具有機械集成度高、分辨率高和運動實現(xiàn)多樣化等特點，在特定場合得到成功應用。近年來，多自由度球形超聲波電動機成為熱點研究領域，涌現(xiàn)出多種電機構型，并在電機測控技術上也取得了一定成果。本文將總結多自由度球形超聲波電動機姿態(tài)檢測與運動控制技術的國內外研究現(xiàn)狀，并探尋該領域下一步科學研究及應用的方向。

1 電機分類及特點

多自由度球形超聲波電動機按定子的形狀特征，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，使用Langevin振子形式，利用彎彎縱的振動模態(tài)組合，使電機產生三自由度運動，如圖1所示。后續(xù)南航和東南大學等學者亦采納該構造原理，實現(xiàn)了電機優(yōu)化設計與性能提升［7－8］，但力矩偏小的劣勢還無法克服。日本山形大學 Aoyagi等人［9］提出了板狀定子電機，在鋁板定子表面印制厚膜PZT與電極，由板中心圓柱驅動轉子，力矩輸出更小。臺灣中原大學Ting等人［10］提出碗狀定子電機，碗底正交粘接壓電陶瓷，實現(xiàn)3個自由度的運動，該電機的缺點是加工裝配復雜，運行效率低。環(huán)狀定子屬于行波型電機范疇，最早由東京農工大Toyama等人提出，他們設計制造了多款二自由度電機，又推導了基于三定子的三自由度球形電機的摩擦驅動模型［11］，如圖2所示。浙大也研制了多種結構形式的環(huán)狀定子(行波型)電機［12］，其中三自由度電機堵轉力矩100 mN·m，空轉轉速90 r/min，力能指標超過日本同類電機的水平;又提出定子外緣大傾角、內緣線接觸方式的構形，顯著提升了換能效率和穩(wěn)定性;多定子安裝調試結構從十字鉸結構改進為自動調心結構，最終采用柔性板簧自適應壓緊球轉子，簡化了結構與裝配［13］。綜合分析，環(huán)狀定子電機力能指標高，性能穩(wěn)定，是多自由度球形超聲波電動機的主要研究方向。

圖1 柱狀定子電機

圖2 環(huán)狀定子電機

2 電機姿態(tài)檢測

為實現(xiàn)多自由度球形電機高精度快響應的控制要求，球轉子的姿態(tài)檢測是首要環(huán)節(jié)，也是多自由度電機領域的關鍵技術之一。由于轉子是球體，需要對球轉子多個方向進行轉角檢測，無法復制傳統(tǒng)電機的轉子位置檢測方法，需要構造新的檢測方法和機構，這也是實現(xiàn)球形電機閉環(huán)控制的前提條件。目前常見的多自由度球形電機的姿態(tài)檢測方法可分為接觸式和非接觸式兩大類。

2． 1接觸式檢測

Toyama等人［14］率先提出使用弧形十字球絞機構，將轉子輸出軸的運動轉換為球絞機構的運動，配合機構兩側的編碼器識別球轉子的位置，檢測二自由度電機的姿態(tài)，如圖3所示。球絞機構原理簡單，分辨率較高，是目前識別球形電機姿態(tài)常用的檢測機構。但受到球絞機構的干涉限制，球轉子實際無法完成180°的轉動;同時鉸鏈摩擦力會阻礙轉子轉動，消耗部分電機力矩。Lee等人提出的改進方案［15］如圖4所示，在球轉子輸出軸上加設1個編碼

圖3 二自由度十字球絞

圖4 三自由度十字球絞

器識別球體繞z軸的轉動，可識別3個自由度的運動，卻無法從根本上解決阻力的問題。北京航空航天大學提出了一種基于仿生學原理的三自由度被動球關節(jié)［16］，如圖5所示，通過編碼器測量球形轉子z方向轉角，利用雙軸傾角傳感器測量轉子x和y方向的傾斜角度。該設計確保定、轉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機借鑒。一些學者提出使用調心軸承和連桿的測量機構［17］，將球轉子的運動姿態(tài)轉化為調心軸承中心點的運動軌跡，如圖6所示，調心軸承配合精密，阻力較小，可提高檢測精度，降低系統(tǒng)損耗，但轉子的運動范圍仍然受限。后續(xù)又借鑒機械鼠標原理構造摩擦輪檢測方案［18］，如圖7所示，由球轉子帶動膠質滾球，進而驅動2個與編碼器同軸的輥柱，球轉子的姿態(tài)角信號轉換為編碼器的光電信號。球轉子無需輸出軸，轉動范圍不受限;采用輕便的滾輪，力矩消耗可忽略;但球轉子和摩擦輪或有微小滑動，會對檢測精度和響應時間造成影響。

圖5 被動球關節(jié)

圖6 調心軸承和連桿

圖7 摩擦輪

2． 2非接觸式檢測

采用CCD識別球體姿態(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格，用CCD鏡頭攝錄其運動圖像并轉換為轉子的姿態(tài)信息。而后Lee改用2個分立光學元件檢測球殼的表面變化量，進而測定球殼三自由度的姿態(tài)［20］，如圖9所示。但Lee的2個方案均需對球殼作表面處理，適用性較差。Toyama等人［21］提出利用安裝在環(huán)狀定子上的3個線性霍爾元件識別球體姿態(tài)，如圖10所示，但控制算法較復雜，且極化轉子導致超聲波電動機喪失抗電磁干擾的特性。Stein等人提出用光電傳感器來檢測球形表面顏色信號，使用192個光學傳感器，分辨率小于1°，如圖11所示。Mashimo等人［22］提出利用激光檢測球轉子的姿態(tài)，如圖12所示，在球轉子底部粘接鏡子，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

接觸式檢測方法存在增加摩擦阻力，滯緩動態(tài)響應和限制轉動范圍等缺點;非接觸式檢測方法相對具有無損、簡單、辨識度高等優(yōu)點。從球形電機姿態(tài)檢測技術的發(fā)展趨勢而言，非接觸式檢測將發(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)點的基礎上，提出新型的集成式光電識別方案，進一步提高檢測精度和響應，擴大檢測范圍。

3 電機運動控制

姿態(tài)檢測作為反饋環(huán)節(jié)，是多自由度球形超聲波電動機高精度控制的前提與基礎。在電機的運動控制方向，國內外學者進行了基礎性的探索，亟需系統(tǒng)深入的研究。比如在柱狀定子電機的控制方向:日本東京工業(yè)大學的Takemura利用操縱桿實現(xiàn)了電機的主從控制［3］，在偏轉和俯仰方向利用電位器實現(xiàn)反饋控制，而在自旋方向則采用開環(huán)控制，但文獻中未給出精度方面的數(shù)據;南京航空航天大學則利用圖4的接觸式檢測裝置，采用PID+逐點比較的控制策略［23］，取得了較好的軌跡控制效果，控制精度可達0．45°。而在環(huán)狀定子(行波型)電機的控制方向:最先提出該電機的東京農工大的Toyama項目組，在其研究室網頁上公布了一段操縱桿控制電機的視頻，并指出電機采用逆運動學和神經網絡的控制方案［24］;浙江大學在圖7的摩擦輪接觸式檢測方案中，采用PID分段斜率比較的控制策略［18］實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制，軌跡誤差率僅為1．3%。比對上述進展，可歸納如下3點:1)姿態(tài)檢測環(huán)節(jié)都基于接觸式機構，控制對象大部分也是柱狀定子結構電機;2)多自由度電機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)對多自由度電機以運動學分析為主，模型控制比如摩擦驅動模型等方向的嘗試不足。

4 發(fā)展方向

目前學界對多自由度球形超聲波電動機的本體研究已相對深入，在設計、制造和靜力學模型等方面的理論和技術已較成熟，而姿態(tài)檢測和控制環(huán)節(jié)一直是制約多自由度球形電機應用的瓶頸。下一步需著力探索新型非接觸式電機姿態(tài)檢測及控制的理論和技術，重點研究球形電機的控制數(shù)學模型、姿態(tài)檢測方法、運動控制策略及基于該電機的應用技術基礎。一方面，深化球形電機摩擦驅動模型和系統(tǒng)辨識模型的建模機理，提出集成式光電識別原理的電機姿態(tài)檢測方法，構造高精度快響應的電機無損檢測與控制平臺，形成多姿態(tài)角的精確定位和軌跡控制理論;另一方面，瞄準多自由度球形超聲波電動機在工業(yè)化領域的應用，解決軌跡跟蹤及主從控制型策略。若能對該前瞻性應用基礎課題進行系統(tǒng)深入的創(chuàng)新性研究，不僅可突破多維姿態(tài)角測控理論的科學問題，還有望形成具有一定市場空間產品的技術基礎。

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