超聲波電機在太空機器人中的應用

張俊杰

（重慶交通大學，重慶 400000）

1 引言

超聲波電動機（Ultrasonic Motor，簡稱USM）是一種新型的驅(qū)動電機，不同于傳統(tǒng)電磁型電機的工作方式，超聲波電機內(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械系統(tǒng)的需求，隨著超聲波電機技術的成熟，其制造成本將不斷降低并實現(xiàn)廣泛的商業(yè)應用，在宇宙開發(fā)及太空機器人領域?qū)⒕哂邢喈攺V闊的應用前景。

2 超聲波電機的原理

2.1 壓電效應和逆壓電效應

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，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，這個效應就稱為逆壓電效應。

2.2 超聲波電機的原理

超聲波電機工作頻率為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 太空機器人的技術發(fā)展

1967年4月勘測者-3月球探測器上的機械臂成為第一個太空機器人，這個機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)射任務中，向國際空間站帶來了首個人形機器人——機器人宇航員-2。

4 超聲波電機在太空機器人領域的應用

4.1 機械臂及各關節(jié)處

機器人研究的一個重要方向便是機械臂的功能以及多自由度關節(jié)的研究。通常大多數(shù)機械手是具有六個自由度的關節(jié)式機械結(jié)構(gòu)，其中前三個自由度引導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]，然而目前大部分機器人多自由度運動的驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)復雜，體積龐大。超聲波電機驅(qū)動則可以利用單獨一個關節(jié)就可以實現(xiàn)多自由度運動的機器人關節(jié)，超聲波電機采用單片機實現(xiàn)控制，控制方法簡單易行并且使太空機器人結(jié)構(gòu)極大得到簡化，提高機器人的操作精度，減輕機器人體積和重量，方便太空機器人執(zhí)行預設任務，而且其抗電磁干擾的特性更可以使機器人適應太空嚴苛的強電磁干擾的工作環(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)動電機方面，與傳統(tǒng)電機相比，超聲波電機在這方面的使用具有許多優(yōu)點，如無源自鎖性，響應時間短。傳統(tǒng)電磁式電機斷電沒有電流通過，無法產(chǎn)生定位轉(zhuǎn)矩，需要另外增加定位設備，使得探測車車體笨重，而超聲波電機斷電后，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擔，而且與傳統(tǒng)電磁式電機相比，超聲波電機動態(tài)響應時間短。這使得探測車能夠更加精確的移動，到達指定位置的精度更高，更好的完成探測任務。

其次，超聲波電機低轉(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，超聲波電機這一性能可以使其直接帶負載而無需減速裝置，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)不可預料的故障，而超聲波電機自身結(jié)構(gòu)及工作方式?jīng)Q定了其完全可以適應這等惡劣環(huán)境，因此綜上所述，超聲波電機作為太空探測車車輪的驅(qū)動電機是在合適不過。

5 結(jié)語

超聲波電機USM因其不同于傳統(tǒng)電機的優(yōu)良特性，已在航空航天、相機、機器人、醫(yī)療、汽車、精密定位儀、微型機械等領域得到廣泛應用，在航空航天等領域的應用更是將其優(yōu)點表現(xiàn)的淋漓盡致，可以預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。當它自身存在的不足得到解決后，如提高電機壽命、降低成本、對電機的控制更加精確等問題，USM將極有可能在很多領域完全取代傳統(tǒng)電磁式電機。