超聲波電機(jī)在太空機(jī)器人中的應(yīng)用

張俊杰

（重慶交通大學(xué)，重慶 400000）

1 引言

超聲波電動機(jī)（Ultrasonic Motor，簡稱USM）是一種新型的驅(qū)動電機(jī)，不同于傳統(tǒng)電磁型電機(jī)的工作方式，超聲波電機(jī)內(nèi)部無線圈和磁場等，這使其擁有許多極為優(yōu)良的特性，結(jié)構(gòu)靈活緊湊、低速大轉(zhuǎn)矩、不受電磁干擾等，極大的滿足了宇宙空間中機(jī)械系統(tǒng)的需求，隨著超聲波電機(jī)技術(shù)的成熟，其制造成本將不斷降低并實現(xiàn)廣泛的商業(yè)應(yīng)用，在宇宙開發(fā)及太空機(jī)器人領(lǐng)域?qū)⒕哂邢喈?dāng)廣闊的應(yīng)用前景。

2 超聲波電機(jī)的原理

2.1 壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)

某些特殊的電解質(zhì)晶體在收到外力時，會使得其結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生極化，電解質(zhì)晶體的兩端表面內(nèi)會產(chǎn)生符號相反的束縛電荷會吸引外界極性相反的自由電荷，外力作用方向改變時，表面電荷的極性也會隨之發(fā)生反轉(zhuǎn)，這種由于外力的作用而使電解質(zhì)發(fā)生極化的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，晶體的這一性質(zhì)就叫壓電性。反之，電場的作用又會使晶體發(fā)生形變，這個效應(yīng)就稱為逆壓電效應(yīng)。

2.2 超聲波電機(jī)的原理

超聲波電機(jī)工作頻率為20kHz以上，由定子（振動體）和轉(zhuǎn)子（移動體）兩部分組成，其定子是由彈性體和壓電陶瓷構(gòu)成，轉(zhuǎn)子是由金屬板構(gòu)成。加在定子和轉(zhuǎn)子之間的壓力讓二者緊密接觸，定、轉(zhuǎn)子之間加一層摩擦材料，減少摩擦損耗。施加相位差為90°的高頻電壓時，彈性體內(nèi)產(chǎn)生兩組駐波，合成圓周方向的行波，使得定子表面質(zhì)點形成橢圓運動軌跡的振動，移動體形成做連續(xù)宏觀運動。

3 太空機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展

1967年4月勘測者-3月球探測器上的機(jī)械臂成為第一個太空機(jī)器人，這個機(jī)械臂可以在月球取樣，并把樣本送入土壤分析器中分析。1970年9月，蘇聯(lián)研制并發(fā)射了全球第一個取樣返回機(jī)器人，它可以將樣品儲存在樣品倉內(nèi)返回地球。1997年研制出火星探測車“旅居者”。2011年在發(fā)現(xiàn)號發(fā)射任務(wù)中，向國際空間站帶來了首個人形機(jī)器人——機(jī)器人宇航員-2。

4 超聲波電機(jī)在太空機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 機(jī)械臂及各關(guān)節(jié)處

機(jī)器人研究的一個重要方向便是機(jī)械臂的功能以及多自由度關(guān)節(jié)的研究。通常大多數(shù)機(jī)械手是具有六個自由度的關(guān)節(jié)式機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中前三個自由度引導(dǎo)夾手裝置至所需位置，后三個自由度用來決定末端執(zhí)行裝置的方向[1]，然而目前大部分機(jī)器人多自由度運動的驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。超聲波電機(jī)驅(qū)動則可以利用單獨一個關(guān)節(jié)就可以實現(xiàn)多自由度運動的機(jī)器人關(guān)節(jié)，超聲波電機(jī)采用單片機(jī)實現(xiàn)控制，控制方法簡單易行并且使太空機(jī)器人結(jié)構(gòu)極大得到簡化，提高機(jī)器人的操作精度，減輕機(jī)器人體積和重量，方便太空機(jī)器人執(zhí)行預(yù)設(shè)任務(wù)，而且其抗電磁干擾的特性更可以使機(jī)器人適應(yīng)太空嚴(yán)苛的強(qiáng)電磁干擾的工作環(huán)境。

4.2 探測車車輪處

探測車主要用作行星探測，然而在探測車驅(qū)動電機(jī)方面，與傳統(tǒng)電機(jī)相比，超聲波電機(jī)在這方面的使用具有許多優(yōu)點，如無源自鎖性，響應(yīng)時間短。傳統(tǒng)電磁式電機(jī)斷電沒有電流通過，無法產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩，需要另外增加定位設(shè)備，使得探測車車體笨重，而超聲波電機(jī)斷電后，定、轉(zhuǎn)子之間依然存在較大的摩擦力，具有了較大的保持力矩，這個摩擦力矩便可以實現(xiàn)自鎖功能，不給探測車增加額外負(fù)擔(dān)，而且與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)相比，超聲波電機(jī)動態(tài)響應(yīng)時間短。這使得探測車能夠更加精確的移動，到達(dá)指定位置的精度更高，更好的完成探測任務(wù)。

其次，超聲波電機(jī)低轉(zhuǎn)速，大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點也是使用其作為車輪驅(qū)動的原因，超聲波電機(jī)這一性能可以使其直接帶負(fù)載而無需減速裝置，減少了探測車體積質(zhì)量，提高工作可靠性。另外，傳統(tǒng)的電磁式電機(jī)在太空工作極有可能受到太空電磁干擾，以及低溫真空環(huán)境的影響，出現(xiàn)不可預(yù)料的故障，而超聲波電機(jī)自身結(jié)構(gòu)及工作方式?jīng)Q定了其完全可以適應(yīng)這等惡劣環(huán)境，因此綜上所述，超聲波電機(jī)作為太空探測車車輪的驅(qū)動電機(jī)是在合適不過。

5 結(jié)語

超聲波電機(jī)USM因其不同于傳統(tǒng)電機(jī)的優(yōu)良特性，已在航空航天、相機(jī)、機(jī)器人、醫(yī)療、汽車、精密定位儀、微型機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用更是將其優(yōu)點表現(xiàn)的淋漓盡致，可以預(yù)見未來的航空航天中必將廣泛使用USM作為各類航天器的驅(qū)動器。當(dāng)它自身存在的不足得到解決后，如提高電機(jī)壽命、降低成本、對電機(jī)的控制更加精確等問題，USM將極有可能在很多領(lǐng)域完全取代傳統(tǒng)電磁式電機(jī)。