機(jī)器人具有輪式、足式、蛇形、爬行、飛行、游動(dòng)等豐富的運(yùn)動(dòng)形式（圖1）。在目前的研究中，機(jī)器人空中與水中的運(yùn)動(dòng)通常采用飛行與游動(dòng)方式，陸上運(yùn)動(dòng)則以輪式、足式、蛇形、爬行等方式為主。相較于蛇形、爬行等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，輪式、足式和輪足式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)理清晰，更便于機(jī)器人的設(shè)計(jì)與操控，相關(guān)研究成果也較為豐富。驅(qū)動(dòng)腿足、腿輪可有效增加機(jī)器人牽引力和負(fù)載力，同時(shí)使機(jī)器人更加適應(yīng)崎嶇及不平坦路面環(huán)境。那么功率放大器能驅(qū)動(dòng)超聲波作動(dòng)器嗎？

▍“驅(qū)動(dòng)器+腿足執(zhí)行器”vs超聲驅(qū)動(dòng)行波作動(dòng)器

傳統(tǒng)多足機(jī)器人以“驅(qū)動(dòng)器+腿足執(zhí)行器”形成足結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)足會(huì)增大機(jī)器人系統(tǒng)的體積，基于仿生運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多足協(xié)同運(yùn)動(dòng)的控制難度、系統(tǒng)集成難度和設(shè)計(jì)成本也隨之增大。

針對(duì)這一問(wèn)題，受多足蟲(chóng)“多足+爬行”運(yùn)動(dòng)方式的啟發(fā)，山東大學(xué)智能無(wú)人系統(tǒng)教育部工程研究中心吳疆副研究員以超聲行波驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)，研發(fā)了一種具有高負(fù)載和牽引能力的仿生超聲驅(qū)動(dòng)行波作動(dòng)器，該研究成果以 Development of a Self-Moving Ultrasonic Actuator With High Carrying/Towing Capability Driven by Longitudinal Traveling Wave 為題刊登在 IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS。

如圖2(a)所示，作動(dòng)器振動(dòng)體設(shè)計(jì)有多個(gè)仿蟲(chóng)足矩形齒槽，以實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器構(gòu)型與運(yùn)動(dòng)仿生，圖2(b)與圖2(c)展示了作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)與仿生思路，其最終構(gòu)型如圖2(d)所示。作動(dòng)器的尺寸長(zhǎng)×寬×高為315mm×32mm×30mm，在頻率和峰值分別為27.8kHz和800V的交流電壓驅(qū)動(dòng)下，負(fù)載能力可達(dá)6kg，是其自身重量的10.2倍，牽引能力可達(dá)24.5N，具有41.5N/kg的牽引力密度，運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)于現(xiàn)階段多數(shù)研究成果。得益于“多足+爬行”仿生設(shè)計(jì)，作動(dòng)器在一定程度上繼承了生物體對(duì)各種路面環(huán)境的適應(yīng)能力，可穿過(guò)30mm的“寬溝”，并在不同材質(zhì)的“路面”上展現(xiàn)出較為理想的運(yùn)動(dòng)性能。此外，作動(dòng)器采用超聲縱向行波驅(qū)動(dòng)，可在無(wú)負(fù)載時(shí)達(dá)到65.8mm/s的運(yùn)動(dòng)速度。

圖2超聲作動(dòng)器的設(shè)計(jì)仿真與構(gòu)型視圖

▍為什么是縱向行波激勵(lì)？

超聲作動(dòng)器振動(dòng)傳播類(lèi)型包括駐波和行波。通過(guò)激發(fā)彎振或縱振形成駐波同樣可達(dá)到驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器沿一定軌跡運(yùn)動(dòng)的目的，這種方式在超聲作動(dòng)器和超聲電機(jī)中經(jīng)常使用。圖3展示了駐波方式驅(qū)動(dòng)的多種超聲電機(jī)與超聲作動(dòng)器。然而在駐波振動(dòng)下，模態(tài)簡(jiǎn)并使得系統(tǒng)的高度和長(zhǎng)度難以大幅度改變，振動(dòng)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在需要精確制造和安裝的場(chǎng)景下此方法極為受限。

以彎曲行波形成板狀超聲作動(dòng)器是另一種常見(jiàn)的傳統(tǒng)作動(dòng)器設(shè)計(jì)方法。相較于駐波，彎曲行波很容易在結(jié)構(gòu)中被激發(fā)，但它們的機(jī)電耦合比縱向振動(dòng)的行波作動(dòng)器機(jī)電耦合弱，因此，采用夾持式換能器激勵(lì)的縱向行波作動(dòng)器有利于實(shí)現(xiàn)良好的承載/牽引性能。

圖3駐波驅(qū)動(dòng)的超聲電機(jī)與超聲作動(dòng)器

▍行波驅(qū)動(dòng)，多足協(xié)同

在縱向行波振動(dòng)下，作動(dòng)器中形成沿振動(dòng)體方向并受兩端縱振換能器相位影響的“多足”協(xié)同爬行運(yùn)動(dòng)。在縱向行波影響下，每個(gè)“足端”作近似橢圓運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡受結(jié)構(gòu)的影響并在軌跡趨向圓形時(shí)獲得更優(yōu)的承載/牽引能力。與此同時(shí)，“多足”在縱向行波影響下協(xié)同運(yùn)動(dòng)，可帶動(dòng)作動(dòng)器沿某個(gè)設(shè)定方向爬行。為了提高作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)速度和負(fù)載性能，研究人員建立了如圖4所示的超聲作動(dòng)器組端運(yùn)動(dòng)模型，最終實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器“行波驅(qū)動(dòng)、多足協(xié)同”的仿生運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

圖4超聲驅(qū)動(dòng)行波作動(dòng)器足端運(yùn)動(dòng)模型

圖5展示了超聲驅(qū)動(dòng)行波作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在作動(dòng)器控制方面，超聲驅(qū)動(dòng)行波作動(dòng)器可通過(guò)調(diào)節(jié)頻率、相位設(shè)計(jì)與電壓，簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向的控制。

圖5超聲驅(qū)動(dòng)行波作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

研究人員分別在木板和大理石材質(zhì)模擬的路況下，對(duì)作動(dòng)器速度進(jìn)行了階躍響應(yīng)測(cè)試。如圖6所示，在測(cè)試條件下，作動(dòng)器在2種材質(zhì)表面變現(xiàn)出的最大運(yùn)動(dòng)誤差不超過(guò)8%，體現(xiàn)了作動(dòng)器良好的運(yùn)動(dòng)能力。

圖6超聲驅(qū)動(dòng)行波作動(dòng)器的速度階躍響應(yīng)曲線(xiàn)

圖7展示了作動(dòng)器對(duì)0.5~1Hz頻率動(dòng)態(tài)變化速度信號(hào)的跟蹤效果，跟蹤誤差不超過(guò)7%，體現(xiàn)了作動(dòng)器良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

圖7超聲驅(qū)動(dòng)行波作動(dòng)器的速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)

如圖8所示，由于多足結(jié)構(gòu)增加了作動(dòng)器與地面的接觸“機(jī)會(huì)”，超聲驅(qū)動(dòng)行波作動(dòng)器可跨越30mm的距離，增加了作動(dòng)器對(duì)復(fù)雜地面的適應(yīng)能力，拓展了作動(dòng)器的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖8超聲驅(qū)動(dòng)行波作動(dòng)器跨越寬溝的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

ATA-68020功率放大器

ATA-68020是一款理想的單通道功率放大器。最大輸出850Vp-p（±425Vp）電壓，最大輸出電流2.12Ap，可與主流的信號(hào)發(fā)生器配套使用，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的完美放大，同時(shí)它也是一款在超聲電機(jī)超聲制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)中常用到的測(cè)試儀器儀表。

最大輸出電壓850Vp-p（±425Vp）

放大倍數(shù)0~300倍可調(diào)，1倍步進(jìn)

輸入電阻10kΩ

單通道

與傳統(tǒng)“驅(qū)動(dòng)器+執(zhí)行器”的足式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，超聲驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，為仿生運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新思路。但超聲驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器離不開(kāi)與之相匹配的高頻高壓供能與驅(qū)控系統(tǒng)的支持。因此，如何將直流電源、直流逆變電路、功放電路集成到超聲驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器機(jī)械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)的阻抗匹配，形成無(wú)線(xiàn)纜限制、大范圍可移動(dòng)的超聲驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器是未來(lái)具有重要意義的研究方向。功率放大器www.aigtek.com

審核編輯 黃宇