基于超声波电机三维微动平台设计

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1、第1l期组合机床与自动化加工技术NO．112012年l1月ModularMachineTool&AutomaticManufacturingTechniqueNOV．2012文章编号：1001—2265(2012)11—0001—03基于超声波电机的三维微动平台的设计王帅一。苏刚(1．中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，沈阳110016；2．中国科学院研究生院，北京100049)摘要：为了适应航空环境中低电压和轻重量的要求，设计了一种基于柔性铰链微位移缩小机构的微动平台。微动平台由超声波电机作为驱动元件，利

2、用杠杆原理，经由柔顺机构输出缩小位移，从而实现机器人末端手臂的微位姿调整。对微位移缩小机构缩小倍数与运动学做了理论分析，并对柔性铰链位移和最大应力进行了有限元分析，实验证明该微动平台可以实现预期的运动。关键词：缩小机构；三维微动平台；超声波电机；柔性铰链中图分类号：TH16文献标识码：ADesignofThreeDimensionalMicro—displacementWorktableBasedontheUltrasonicMotorWANGShuai一，SUGang(1．StateKeyLaboratoryofRob

3、otics，ShenyangInstituteofAutomation，ChineseAcademyofSciences，She—nyang110016，China；2．GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China)Abstract：Inordertomeettherequirementoflowvoltageandlightweightinthespaceenvirement，amicro—displacementworktableba

4、sedonthecompliantmechanismofmotionreductionisdesigned．It’Sdrivenbyultrasonicmotor，andtheflexurehingeswasusedtoreducetheoutputdisplacementaccordingtoleverpricipal，whichcanadjustthemicro—postureoftheendoftheroboticarm．Thereducefactorandandthekinematicsofthecomplian

5、tmechanismofmotionreductionweretheoreticalestablishedandtheanalysesofthecomplianthingesofdisplacementandmaximumstresswasdonebyfiniteelementmeth—od．Resultsfromfabricationandexperimentstestifythefeasibilityofthepresentedmicro-displacementworktable．Keywords：reductio

6、nmechanism；threedimensionalmicro-displacementworktable；ultrasonicmotor；flexiblehinges有高自锁力矩，不受电磁场干扰等优点。因此，面0引言向空间生物医学用三维微动平台采用超声波电机进精密运动平台是指行程小、分辨率和精度高的行驱动。但是，采用超声波电机驱动方式的微动平运动平台，是精密机构与精密仪器的组成部分之台驱动力小、行程大，因此采用缩小机构将执行器的一。它既是重要的进给元件，也是对工艺系统误位移缩小再传递给输出端以提高运动精度。而且由差进

7、行动态、静态补偿的关键元件，直接影响精密、于柔性铰链具有体积小、无间隙、无机械摩擦、运动超精密切削加工水平、精密测量水平及超大规模集灵敏度和分辨率高等优点，柔顺机构依赖于柔性构成电路生产水平的关键环节。因此，精密运动平台件的变形，其能量便以应变能的形式储存在柔性构成为国内外研究热点。件中，利用储存在柔性构件中的应变能可实现微动目前，大多利用压电陶瓷作为驱动装置对平面平台的微位移。因此，研究基于柔性铰链微位移工作台进行精细的位姿调整，但是其系统需要电压缩小机构对面向空间生物医学用三维微动平台的研高，驱动电路较为复杂，不适用

8、航空和宇航领域所制具有重要意义。要求的低电压、轻量化等适合太空环境的特点。而l微动平台的设计与制作超声波电动机具有驱动电压低、小型轻量、响应速度快、能获得低速大转矩和可用于直接驱动、断电时具面向生物医学实验用空间手套箱开发的超声波收稿日期：2012—04—01；修回日期：2012—04—09基金项目：863基金项目(