行業(yè)應(yīng)用分享：功率放大器驅(qū)動超聲波作動器
機(jī)器人具有輪式、足式、蛇形、爬行、飛行、游動等豐富的運(yùn)動形式（圖1）。在目前的研究中，機(jī)器人空中與水中的運(yùn)動通常采用飛行與游動方式，陸上運(yùn)動則以輪式、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，輪式、足式和輪足式機(jī)器人的運(yùn)動機(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)動超聲波作動器嗎？
圖1機(jī)器人多種運(yùn)動形式
▍“驅(qū)動器+腿足執(zhí)行器”vs超聲驅(qū)動行波作動器
傳統(tǒng)多足機(jī)器人以“驅(qū)動器+腿足執(zhí)行器”形成足結(jié)構(gòu)，驅(qū)動足會增大機(jī)器人系統(tǒng)的體積，基于仿生運(yùn)動實(shí)現(xiàn)多足協(xié)同運(yùn)動的控制難度、系統(tǒng)集成難度和設(shè)計(jì)成本也隨之增大。
針對這一問題，受多足蟲“多足+爬行”運(yùn)動方式的啟發(fā)，山東大學(xué)智能無人系統(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)動行波作動器，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，作動器振動體設(shè)計(jì)有多個仿蟲足矩形齒槽，以實(shí)現(xiàn)作動器構(gòu)型與運(yùn)動仿生，圖2(b)與圖2(c)展示了作動器運(yùn)動特點(diǎn)與仿生思路，其最終構(gòu)型如圖2(d)所示。作動器的尺寸長×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)，作動器在一定程度上繼承了生物體對各種路面環(huán)境的適應(yīng)能力，可穿過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)動性能。此外，作動器采用超聲縱向行波驅(qū)動，可在無負(fù)載時(shí)達(dá)到65.8mm/s的運(yùn)動速度。
圖2超聲作動器的設(shè)計(jì)仿真與構(gòu)型視圖
▍為什么是縱向行波激勵？
超聲作動器振動傳播類型包括駐波和行波。通過激發(fā)彎振或縱振形成駐波同樣可達(dá)到驅(qū)動作動器沿一定軌跡運(yùn)動的目的，這種方式在超聲作動器和超聲電機(jī)中經(jīng)常使用。圖3展示了駐波方式驅(qū)動的多種超聲電機(jī)與超聲作動器。然而在駐波振動下，模態(tài)簡并使得系統(tǒng)的高度和長度難以大幅度改變，振動體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在需要精確制造和安裝的場景下此方法極為受限。
以彎曲行波形成板狀超聲作動器是另一種常見的傳統(tǒng)作動器設(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)電耦合比縱向振動的行波作動器機(jī)電耦合弱，因此，采用夾持式換能器激勵的縱向行波作動器有利于實(shí)現(xiàn)良好的承載/牽引性能。
圖3駐波驅(qū)動的超聲電機(jī)與超聲作動器
▍行波驅(qū)動，多足協(xié)同
在縱向行波振動下，作動器中形成沿振動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。在縱向行波影響下，每個“足端”作近似橢圓運(yùn)動，其運(yùn)動軌跡受結(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，可帶動作動器沿某個設(shè)定方向爬行。為了提高作動器的運(yùn)動速度和負(fù)載性能，研究人員建立了如圖4所示的超聲作動器組端運(yùn)動模型，最終實(shí)現(xiàn)作動器“行波驅(qū)動、多足協(xié)同”的仿生運(yùn)動形態(tài)。
圖4超聲驅(qū)動行波作動器足端運(yùn)動模型
圖5展示了超聲驅(qū)動行波作動器的運(yùn)動過程。在作動器控制方面，超聲驅(qū)動行波作動器可通過調(diào)節(jié)頻率、相位設(shè)計(jì)與電壓，簡便地實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器運(yùn)動速度和運(yùn)動方向的控制。
圖5超聲驅(qū)動行波作動器的運(yùn)動過程
研究人員分別在木板和大理石材質(zhì)模擬的路況下，對作動器速度進(jìn)行了階躍響應(yīng)測試。如圖6所示，在測試條件下，作動器在2種材質(zhì)表面變現(xiàn)出的最大運(yùn)動誤差不超過8%，體現(xiàn)了作動器良好的運(yùn)動能力。
圖6超聲驅(qū)動行波作動器的速度階躍響應(yīng)曲線
圖7展示了作動器對0.5~1Hz頻率動態(tài)變化速度信號的跟蹤效果，跟蹤誤差不超過7%，體現(xiàn)了作動器良好的動態(tài)響應(yīng)能力。
圖7超聲驅(qū)動行波作動器的速度動態(tài)響應(yīng)曲線
如圖8所示，由于多足結(jié)構(gòu)增加了作動器與地面的接觸“機(jī)會”，超聲驅(qū)動行波作動器可跨越30mm的距離，增加了作動器對復(fù)雜地面的適應(yīng)能力，拓展了作動器的應(yīng)用場景。
圖8超聲驅(qū)動行波作動器跨越寬溝的運(yùn)動過程
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，可與主流的信號發(fā)生器配套使用，實(shí)現(xiàn)信號的完美放大，同時(shí)它也是一款在超聲電機(jī)超聲制動器驅(qū)動中常用到的測試儀器儀表。
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)動器+執(zhí)行器”的足式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，超聲驅(qū)動作動器結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，為仿生運(yùn)動與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新思路。但超聲驅(qū)動作動器離不開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)動作動器系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)作動器機(jī)械系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)的阻抗匹配，形成無線纜限制、大范圍可移動的超聲驅(qū)動作動器是未來具有重要意義的研究方向。
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