超声波电机在太空机器人中的应用

张俊杰

（重庆交通大学，重庆 400000）

1 引言

超声波电动机（Ultrasonic Motor，简称USM）是一种新型的驱动电机，不同于传统电磁型电机的工作方式，超声波电机内部无线圈和磁场等，这使其拥有许多极为优良的特性，结构灵活紧凑、低速大转矩、不受电磁干扰等，极大的满足了宇宙空间中机械系统的需求，随着超声波电机技术的成熟，其制造成本将不断降低并实现广泛的商业应用，在宇宙开发及太空机器人领域将具有相当广阔的应用前景。

2 超声波电机的原理

2.1 压电效应和逆压电效应

某些特殊的电解质晶体在收到外力时，会使得其结构内部发生极化，电解质晶体的两端表面内会产生符号相反的束缚电荷会吸引外界极性相反的自由电荷，外力作用方向改变时，表面电荷的极性也会随之发生反转，这种由于外力的作用而使电解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，电场的作用又会使晶体发生形变，这个效应就称为逆压电效应。

2.2 超声波电机的原理

超声波电机工作频率为20kHz以上，由定子（振动体）和转子（移动体）两部分组成，其定子是由弹性体和压电陶瓷构成，转子是由金属板构成。加在定子和转子之间的压力让二者紧密接触，定、转子之间加一层摩擦材料，减少摩擦损耗。施加相位差为90°的高频电压时，弹性体内产生两组驻波，合成圆周方向的行波，使得定子表面质点形成椭圆运动轨迹的振动，移动体形成做连续宏观运动。

3 太空机器人的技术发展

1967年4月勘测者-3月球探测器上的机械臂成为第一个太空机器人，这个机械臂可以在月球取样，并把样本送入土壤分析器中分析。1970年9月，苏联研制并发射了全球第一个取样返回机器人，它可以将样品储存在样品仓内返回地球。1997年研制出火星探测车“旅居者”。2011年在发现号发射任务中，向国际空间站带来了首个人形机器人——机器人宇航员-2。

4 超声波电机在太空机器人领域的应用

4.1 机械臂及各关节处

机器人研究的一个重要方向便是机械臂的功能以及多自由度关节的研究。通常大多数机械手是具有六个自由度的关节式机械结构，其中前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[1]，然而目前大部分机器人多自由度运动的驱动装置结构复杂，体积庞大。超声波电机驱动则可以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，超声波电机采用单片机实现控制，控制方法简单易行并且使太空机器人结构极大得到简化，提高机器人的操作精度，减轻机器人体积和重量，方便太空机器人执行预设任务，而且其抗电磁干扰的特性更可以使机器人适应太空严苛的强电磁干扰的工作环境。

4.2 探测车车轮处

探测车主要用作行星探测，然而在探测车驱动电机方面，与传统电机相比，超声波电机在这方面的使用具有许多优点，如无源自锁性，响应时间短。传统电磁式电机断电没有电流通过，无法产生定位转矩，需要另外增加定位设备，使得探测车车体笨重，而超声波电机断电后，定、转子之间依然存在较大的摩擦力，具有了较大的保持力矩，这个摩擦力矩便可以实现自锁功能，不给探测车增加额外负担，而且与传统电磁式电机相比，超声波电机动态响应时间短。这使得探测车能够更加精确的移动，到达指定位置的精度更高，更好的完成探测任务。

其次，超声波电机低转速，大转矩的优点也是使用其作为车轮驱动的原因，超声波电机这一性能可以使其直接带负载而无需减速装置，减少了探测车体积质量，提高工作可靠性。另外，传统的电磁式电机在太空工作极有可能受到太空电磁干扰，以及低温真空环境的影响，出现不可预料的故障，而超声波电机自身结构及工作方式决定了其完全可以适应这等恶劣环境，因此综上所述，超声波电机作为太空探测车车轮的驱动电机是在合适不过。

5 结语

超声波电机USM因其不同于传统电机的优良特性，已在航空航天、相机、机器人、医疗、汽车、精密定位仪、微型机械等领域得到广泛应用，在航空航天等领域的应用更是将其优点表现的淋漓尽致，可以预见未来的航空航天中必将广泛使用USM作为各类航天器的驱动器。当它自身存在的不足得到解决后，如提高电机寿命、降低成本、对电机的控制更加精确等问题，USM将极有可能在很多领域完全取代传统电磁式电机。