多自由度球形超声波电动机姿态测控技术综述

王 剑，白 洋，郭吉丰

(浙江大学，杭州310027)

0 引 言

超声波电动机利用压电材料的逆压电效应，使定子产生大于20 kHz的高频振动，通过定、转子之间的摩擦耦合输出运动和力矩，可满足微特电机面临的诸多新需求［1］。与传统电磁型电机相比，超声波电动机拥有独特的优势，在航天军工、微型机器人、精密定位、光学镜头和医疗器械等领域具有广阔的应用前景［2－4］。特别是南航研制的Φ30 mm行波型超声波电动机，搭载在“玉兔号”月球探测车上，负责红外成像光谱仪定标板的驱动与控制［5］。超声波电动机在探月计划中的成功应用开启了其发展的新篇章。

科技进步助推电机水平持续提升，多自由度电机也应运而生，适用于空间机构和多维驱动场合，如机器人关节、智能安防监控和精密定位平台等。最初的多自由度电机沿用电磁原理，而电磁型电机构造空间磁场不易，结构与控制也较复杂。借助能量转换形式的多样化，部分学者独辟蹊径，选择压电原理来构造多自由度电机，形成的多自由度超声波电动机具有机械集成度高、分辨率高和运动实现多样化等特点，在特定场合得到成功应用。近年来，多自由度球形超声波电动机成为热点研究领域，涌现出多种电机构型，并在电机测控技术上也取得了一定成果。本文将总结多自由度球形超声波电动机姿态检测与运动控制技术的国内外研究现状，并探寻该领域下一步科学研究及应用的方向。

1 电机分类及特点

多自由度球形超声波电动机按定子的形状特征，可划分为柱状、板状、碗状和环状等4类。日本东工大Amano等人［6］率先提出柱状定子电机，使用Langevin振子形式，利用弯弯纵的振动模态组合，使电机产生三自由度运动，如图1所示。后续南航和东南大学等学者亦采纳该构造原理，实现了电机优化设计与性能提升［7－8］，但力矩偏小的劣势还无法克服。日本山形大学 Aoyagi等人［9］提出了板状定子电机，在铝板定子表面印制厚膜PZT与电极，由板中心圆柱驱动转子，力矩输出更小。台湾中原大学Ting等人［10］提出碗状定子电机，碗底正交粘接压电陶瓷，实现3个自由度的运动，该电机的缺点是加工装配复杂，运行效率低。环状定子属于行波型电机范畴，最早由东京农工大Toyama等人提出，他们设计制造了多款二自由度电机，又推导了基于三定子的三自由度球形电机的摩擦驱动模型［11］，如图2所示。浙大也研制了多种结构形式的环状定子(行波型)电机［12］，其中三自由度电机堵转力矩100 mN·m，空转转速90 r/min，力能指标超过日本同类电机的水平;又提出定子外缘大倾角、内缘线接触方式的构形，显著提升了换能效率和稳定性;多定子安装调试结构从十字铰结构改进为自动调心结构，最终采用柔性板簧自适应压紧球转子，简化了结构与装配［13］。综合分析，环状定子电机力能指标高，性能稳定，是多自由度球形超声波电动机的主要研究方向。

图1 柱状定子电机

图2 环状定子电机

2 电机姿态检测

为实现多自由度球形电机高精度快响应的控制要求，球转子的姿态检测是首要环节，也是多自由度电机领域的关键技术之一。由于转子是球体，需要对球转子多个方向进行转角检测，无法复制传统电机的转子位置检测方法，需要构造新的检测方法和机构，这也是实现球形电机闭环控制的前提条件。目前常见的多自由度球形电机的姿态检测方法可分为接触式和非接触式两大类。

2． 1接触式检测

Toyama等人［14］率先提出使用弧形十字球绞机构，将转子输出轴的运动转换为球绞机构的运动，配合机构两侧的编码器识别球转子的位置，检测二自由度电机的姿态，如图3所示。球绞机构原理简单，分辨率较高，是目前识别球形电机姿态常用的检测机构。但受到球绞机构的干涉限制，球转子实际无法完成180°的转动;同时铰链摩擦力会阻碍转子转动，消耗部分电机力矩。Lee等人提出的改进方案［15］如图4所示，在球转子输出轴上加设1个编码

图3 二自由度十字球绞

图4 三自由度十字球绞

器识别球体绕z轴的转动，可识别3个自由度的运动，却无法从根本上解决阻力的问题。北京航空航天大学提出了一种基于仿生学原理的三自由度被动球关节［16］，如图5所示，通过编码器测量球形转子z方向转角，利用双轴倾角传感器测量转子x和y方向的倾斜角度。该设计确保定、转子间的摩擦力较小且精度较高，但是受限于传感器体积，该方案无法被超声波电动机借鉴。一些学者提出使用调心轴承和连杆的测量机构［17］，将球转子的运动姿态转化为调心轴承中心点的运动轨迹，如图6所示，调心轴承配合精密，阻力较小，可提高检测精度，降低系统损耗，但转子的运动范围仍然受限。后续又借鉴机械鼠标原理构造摩擦轮检测方案［18］，如图7所示，由球转子带动胶质滚球，进而驱动2个与编码器同轴的辊柱，球转子的姿态角信号转换为编码器的光电信号。球转子无需输出轴，转动范围不受限;采用轻便的滚轮，力矩消耗可忽略;但球转子和摩擦轮或有微小滑动，会对检测精度和响应时间造成影响。

图5 被动球关节

图6 调心轴承和连杆

图7 摩擦轮

2． 2非接触式检测

采用CCD识别球体姿态最早由Lee等人［19］提出，如图8所示，通过在球壳表面喷涂网格，用CCD镜头摄录其运动图像并转换为转子的姿态信息。而后Lee改用2个分立光学元件检测球壳的表面变化量，进而测定球壳三自由度的姿态［20］，如图9所示。但Lee的2个方案均需对球壳作表面处理，适用性较差。Toyama等人［21］提出利用安装在环状定子上的3个线性霍尔元件识别球体姿态，如图10所示，但控制算法较复杂，且极化转子导致超声波电动机丧失抗电磁干扰的特性。Stein等人提出用光电传感器来检测球形表面颜色信号，使用192个光学传感器，分辨率小于1°，如图11所示。Mashimo等人［22］提出利用激光检测球转子的姿态，如图12所示，在球转子底部粘接镜子，通过镜面反射光确定球体的姿态，但由于光纤尖端的表面差异和界面反射使其定位精度受限。

图8 CCD镜头

图9 分立光学元件

图10 霍尔元件

图11 光电传感器

图12 激光光纤

接触式检测方法存在增加摩擦阻力，滞缓动态响应和限制转动范围等缺点;非接触式检测方法相对具有无损、简单、辨识度高等优点。从球形电机姿态检测技术的发展趋势而言，非接触式检测将发展为主流的方向。后续可在吸纳上述非接触式方法优点的基础上，提出新型的集成式光电识别方案，进一步提高检测精度和响应，扩大检测范围。

3 电机运动控制

姿态检测作为反馈环节，是多自由度球形超声波电动机高精度控制的前提与基础。在电机的运动控制方向，国内外学者进行了基础性的探索，亟需系统深入的研究。比如在柱状定子电机的控制方向:日本东京工业大学的Takemura利用操纵杆实现了电机的主从控制［3］，在偏转和俯仰方向利用电位器实现反馈控制，而在自旋方向则采用开环控制，但文献中未给出精度方面的数据;南京航空航天大学则利用图4的接触式检测装置，采用PID+逐点比较的控制策略［23］，取得了较好的轨迹控制效果，控制精度可达0．45°。而在环状定子(行波型)电机的控制方向:最先提出该电机的东京农工大的Toyama项目组，在其研究室网页上公布了一段操纵杆控制电机的视频，并指出电机采用逆运动学和神经网络的控制方案［24］;浙江大学在图7的摩擦轮接触式检测方案中，采用PID分段斜率比较的控制策略［18］实现电机的闭环控制，轨迹误差率仅为1．3%。比对上述进展，可归纳如下3点:1)姿态检测环节都基于接触式机构，控制对象大部分也是柱状定子结构电机;2)多自由度电机控制算法的选择上基本以传统PID控制为主，现代控制和智能控制鲜有涉及;3)对多自由度电机以运动学分析为主，模型控制比如摩擦驱动模型等方向的尝试不足。

4 发展方向

目前学界对多自由度球形超声波电动机的本体研究已相对深入，在设计、制造和静力学模型等方面的理论和技术已较成熟，而姿态检测和控制环节一直是制约多自由度球形电机应用的瓶颈。下一步需着力探索新型非接触式电机姿态检测及控制的理论和技术，重点研究球形电机的控制数学模型、姿态检测方法、运动控制策略及基于该电机的应用技术基础。一方面，深化球形电机摩擦驱动模型和系统辨识模型的建模机理，提出集成式光电识别原理的电机姿态检测方法，构造高精度快响应的电机无损检测与控制平台，形成多姿态角的精确定位和轨迹控制理论;另一方面，瞄准多自由度球形超声波电动机在工业化领域的应用，解决轨迹跟踪及主从控制型策略。若能对该前瞻性应用基础课题进行系统深入的创新性研究，不仅可突破多维姿态角测控理论的科学问题，还有望形成具有一定市场空间产品的技术基础。

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