盘状多自由度超声波电机和其

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1、英文资料翻译盘状多自由度超声波电机及其自激驱动电路的设计摘要：由于多自由度系统数量的增加，多自由度驱动器在机器人领域变的更有用。超声波电机的一般特征是它能够作为直接多自由度驱动器。尽管如此，和由复变电磁电机组成的多自由度动作单元相比，以前发展起来的超声波电机在体积和重量上并没有优势。在目前的研究中，学者们研究出了一种新型的多自由度超声波电机，这种电机由紧凑的盘状定子和球形转子组成。首先，提出了一种新的电机驱动原理；其次，用有限元法已经详细设计了定子的平面图形，这种多自由度超声波电机的模型已经被生产出来；随后，对定子的振动特征和电机的驱动特征进行了测试。结果证实，受单盘转子

2、的驱动，电机成功地实现了在直角坐标下所要求的定子多自由度运转。最后，提出了这种电机的新型的自激驱动电路，并用其实施了驱动测试。关键词：多自由度驱动器压电驱动自激超声波电机I.简介现在，自动机械被广泛应用于多个领域，如工业，娱乐，医疗，恶劣环境下作业等等。既然这些应用和我们的生活如此接近，一些自动机械便可以被大多数人操作和应用，而不仅仅是专家。所以就要求机械能实现像人一样的灵巧的多自由度运作，也就是说实现像人一样惯用右手的运动成为机器人方面最重要的课题之一。灵巧的多自由度运动一般是靠电磁电机的单自由度运动和齿轮传动的结合来实现。尽管如此，用这种机械装置，由于需要大量的驱动器

3、和传动齿轮，系统总体积和重量都将增大和增重，所以很难建立一种紧凑的多自由度运动单元。有两种方法可供工程师们去解决这些问题。一种方法就是制造一种更小的强力的单自由度驱动器；另一种方法是制造一种具有多自由度驱动器一些功能的驱动器。前者是现在观念的一种延伸，那意味着系统的构造和控制方案和传统系统基本一致。另一方面，如果我们尝试后一种方法，用和传统系统不同的观念可以发展一种新型的系统结构。于是，一些多自由度驱动器被设想并发展起来，这些电机用单精度定子可以产生多自由度运动。多自由度电磁电机的一些例子如下：Rothetal.提出了三维可变球状电机；Yanoetal.发展了一种球形步进

4、电机。还有一些关于多自由度电磁电机的研究成果。尽管如此，这些电机的结构很复杂以至于很难实现微型化。但是另一方面，超声波电机有很多的优点，如低速大转矩，高制动转矩，无电磁辐射，低噪音，结构简单等。其中的一些特征确保了超声波电机作为多自由度驱动器实现直接驱动的能力。如图1对超声波电机和电磁电机的最大转矩进行了比较。图形显示超声波电机很有潜能作为直接驱动器使用。所以，以前基于超声波电机原理的多自由度驱动器是被作如下设想的：Bansevicius发明了压电多自由度驱动器，Amano发明了一种多自由度超声波驱动器，Toyama发明了一种球形超声波电机，还有Sasae发明了球形驱动器

5、。学者们还发明了一种新型的多自由度超声波电机，它利用棒状定子的三种自由振动模态来产生球形转子的多自由度旋转。11英文资料翻译11英文资料翻译图1最大转矩的比较图2有限元模型既然超声波电机显示出如此的优越性，那么多自由度超声波电机应该有足够的潜能去替代现已存在的由单自由度电磁电机组成的多自由度运动单元。然而，大多数这种多自由度超声波电机有一个比转子大的定子。和由电磁电机组成的多自由度运动单元相比，这种驱动器在体积和重量上几乎没有优势。另外，用来驱动电机的高频交变电流可能成为另一个问题，因为一个复杂并强大的驱动电源是必须的。所以，为了显示多自由度超声波电机的优点，一种具有紧凑

6、结构和简单驱动电路的新颖的电机必须成为现实。所以，在这次研究中我们提出了一种新颖的多自由度超声波电机的设计方案和驱动电路，这种电机由球形转子和非常紧凑的盘状定子组成。以前关于多自由度超声波电机的报导中，这种设计方案从未实现过。具有紧凑定子和简单驱动电路的超声波电机很适合用于机器人眼睛控制，激光处理和其他一些应用。在这篇文章中，首先描述了定子振动模态的基本设计和驱动原理。接着介绍了用有限元法详细分析定子的设计和已生产出的电机的模型，在解释了驱动试验的过程后，又重新介绍了超声波电机的自激驱动电路，最后，我们对这次研究的结论进行了描述。II．驱动原理超声波电机是一种靠摩檫力驱动

7、的电机，一般由定子和转子组成。典型的超声波电机利用定子的两种简单的振动来驱动转子。定子振动产生的能量通过定转子间的摩檫传递给旋转的转子。在普通的单自由度超声波电机的情况下，这两种振动形式使定子上的质点绕着有精确转轴的椭圆轨道运行，这样，和定子有接触的转子在摩檫力的驱动下就会绕轴旋转。为了实现多自由度超声波电机，我们必须对单自由度超声波电机的驱动能力进行扩展。那就是，当转子和定子的接触点沿椭圆轨道的转轴随意变动时实现转子的多自由度运转。所以，两两正交的三种自然振动的频率必须适合产生任一轴轨道。联系任一点的三种正交的振动，有相同的