章成武,張 露,李朝東

(上海大學(xué),上海 200072)

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直線超聲波電動(dòng)機(jī)嵌入式機(jī)器人手指驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

章成武,張 露,李朝東

(上海大學(xué),上海 200072)

首先介紹了臥板式直線超聲波電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，按照嵌入驅(qū)動(dòng)的思路進(jìn)行了一款二指機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力分析，制作了樣機(jī)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)考察了該機(jī)械手的夾持物體能力，驗(yàn)證了臥板式直線型超聲波電動(dòng)機(jī)應(yīng)用在機(jī)器人手指上的可行性。

壓電超聲波直線電動(dòng)機(jī)；嵌入式驅(qū)動(dòng)；二指機(jī)械手；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；搓捏動(dòng)作

0 引 言

目前常用的機(jī)器人大多采用電磁式伺服電機(jī)、氣動(dòng)或液動(dòng)等裝置來驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器。比如日本研制的Okada機(jī)械手[1]，它采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)，此機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和力傳遞是通過鋼絲繩和滑輪來實(shí)現(xiàn)的。另外，還有美國斯坦福大學(xué)研制的STD/JPL[2]多指靈巧手，它的每個(gè)手指關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)都是由電機(jī)通過繩索來完成的。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器采用電機(jī)配備減速齒輪箱時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是它能安裝在各種類型的機(jī)械臂上；缺點(diǎn)是把此類驅(qū)動(dòng)器安置在手指內(nèi)時(shí)，機(jī)械手尺寸會(huì)受到限制，也存在著能量損耗等影響。當(dāng)采用遠(yuǎn)端鋼絲繩驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)是可利用高功率的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生大的驅(qū)動(dòng)力；缺點(diǎn)是響應(yīng)速度相比直接驅(qū)動(dòng)變慢。

隨著新型功能材料不斷出現(xiàn)，采用壓電超聲波電動(dòng)機(jī)成為一種新的機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)解決方案。超聲波電動(dòng)機(jī)具有以下顯著特點(diǎn)[3]：(1)結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)靈活，轉(zhuǎn)矩密度大；(2)通過超聲波電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，可以顯著地提高系統(tǒng)的定位精度和加快響應(yīng)速度；(3)若壓電材料和摩擦材料選用合適，可在高、低溫等極端環(huán)境下工作。因此，若采用超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，可將其全部置于手掌內(nèi)，形成獨(dú)立的手部結(jié)構(gòu)。另外，它可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)，改善關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)性能。

機(jī)器人關(guān)節(jié)采用超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的最大意義在于：它可大大地簡化機(jī)器人關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，使其變得輕便、更緊湊，從而改善機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)性能[4]。因此，本文探索了臥板式超聲波直線電動(dòng)機(jī)在機(jī)械手關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)中的可能性。首先介紹了其結(jié)構(gòu)和原理，然后試制了一款機(jī)械手樣機(jī)，最終通過實(shí)驗(yàn)完成了筆套夾持實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的可行性。

1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)

文中選用的為本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的一種駐波型臥板式壓電直線超聲波電動(dòng)機(jī)，最佳工作頻率為64 kHz，工作電壓峰峰值為150 V。其輪廓結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]，外形尺寸為長36 mm，寬5 mm，高4 mm。中間為鋁合金材質(zhì)彈性體，彈性體上下表面分別粘貼有壓電陶瓷。

圖1 臥板式直線型超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電機(jī)的工作原理

采用兩個(gè)相位差為90°的特定頻率正弦電壓，將它們施加到電機(jī)上下表面粘貼的壓電片上。此時(shí)，電機(jī)下表面的一片壓電陶瓷片在彈性體上激發(fā)出水平方向的一階縱向拉伸模態(tài)，上面的4片壓電陶瓷片激發(fā)出垂直方向的四階彎曲模態(tài)。通過此兩種模態(tài)的復(fù)合，在與導(dǎo)軌接觸的兩齒上就會(huì)產(chǎn)生相位差為180°的橢圓運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，持續(xù)地將機(jī)械負(fù)載垂直加載到彈性體上，就會(huì)產(chǎn)生摩擦力。通過摩擦力的作用，與臥板式超聲波電動(dòng)機(jī)彈性體相接觸的動(dòng)子(比如導(dǎo)桿)就可以實(shí)現(xiàn)直線移動(dòng)[6]。

通過FEA軟件Algor對(duì)此電機(jī)的模態(tài)分析，得出圖2中的有限元分析結(jié)果。其縱向拉伸的振動(dòng)模態(tài)頻率在63 kHz左右，橫向彎曲的振動(dòng)模態(tài)頻率在64 kHz左右。另外，通過實(shí)驗(yàn)測試，得到電機(jī)在不同預(yù)壓力下的機(jī)械特性試驗(yàn)結(jié)果[7]，如圖3所示。

(a) 縱向拉伸振動(dòng)模態(tài) 63.479 kHz

(b) 橫向彎曲振動(dòng)模態(tài) 64.485 kHz

圖3 不同預(yù)壓力下電機(jī)機(jī)械特性試驗(yàn)結(jié)果

2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案與布局

參考曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)把滑塊作為原動(dòng)件，此時(shí)的搖桿在平面內(nèi)做轉(zhuǎn)動(dòng)。由于臥板式超聲波電動(dòng)機(jī)的輸出為直線運(yùn)動(dòng)，所以當(dāng)把這一直線運(yùn)動(dòng)作為輸入的動(dòng)力時(shí)，搖桿可以完成在平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，本文提出如圖4所示的機(jī)構(gòu)簡圖，擬設(shè)計(jì)的手指方案如圖5所示。通過導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)連桿，連桿帶動(dòng)搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)，即可以實(shí)現(xiàn)手指的運(yùn)動(dòng)。另外，因?yàn)楸骋r封裝結(jié)構(gòu)可以提高臥板式超聲波直線電動(dòng)機(jī)的輸出力[8]，所以在設(shè)計(jì)中采用了分布式背襯進(jìn)行預(yù)壓。

圖4 機(jī)構(gòu)簡圖

圖5 機(jī)器人手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和受力分析

假設(shè)導(dǎo)軌桿的輸出速度為va，則其在桿AC上的分速度為va·cosα。假設(shè)鉸鏈C的速度為vc，則其在桿AC上的分速度為vc·cosβ。根據(jù)理論力學(xué)速度投影定理，A點(diǎn)和C點(diǎn)在AC上投影相等，即：

圖6 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析圖

圖7 手指機(jī)構(gòu)受力分析簡圖

因?yàn)闂UAC受到的力為：

所以桿BC受到的切向力為：

假設(shè)零件被夾持在圖7所示的O點(diǎn)，與力Ft夾角為γ，則為了夾持住零件，由公式：

得零件電機(jī)推力與重量關(guān)系為：

式中:μ為手指材料與零件之間的摩擦系數(shù)。

2.3 手指關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手指有兩個(gè)關(guān)節(jié)，分別是驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。臥板式直線超聲波電動(dòng)機(jī)內(nèi)置在驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)中，它在彈性局部背襯的作用下驅(qū)動(dòng)直線導(dǎo)軌。導(dǎo)軌通過小滑塊與連桿相連，連桿與手指外殼通過鉸鏈連接，手指外殼與底座通過鉸鏈連接，如圖8所示。

圖8 手指關(guān)節(jié)總裝結(jié)構(gòu)圖

3 機(jī)械手樣機(jī)制作和性能測試

3.1 二指機(jī)械手試制

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，本文根據(jù)以上設(shè)計(jì)制作了一款樣機(jī)，如圖9所示。在該樣機(jī)中，導(dǎo)軌的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手指關(guān)節(jié)繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)單自由度旋轉(zhuǎn)。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮到電機(jī)的行程以及電機(jī)的輸出速度，則可確定相關(guān)結(jié)構(gòu)的尺寸。另外，為克服死點(diǎn)附近較大的阻力，改進(jìn)了小滑塊的結(jié)構(gòu)。

圖9 機(jī)械手雙指樣機(jī)

3.2 機(jī)械手性能測試

將二指機(jī)械手接入測試電路進(jìn)行聯(lián)動(dòng)測試。信號(hào)發(fā)生器輸出兩路正弦信號(hào)，經(jīng)過兩個(gè)高頻功率放大器，加載到手指上，兩個(gè)直線電機(jī)并聯(lián)接入電路中。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械手夾持筆套動(dòng)作，分別對(duì)兩個(gè)手指加載一正一負(fù)的正弦電壓。通過調(diào)整正弦信號(hào)的頻率，同時(shí)根據(jù)手指實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況調(diào)整加載在電機(jī)上的預(yù)壓力，即可改變手指運(yùn)動(dòng)速度。觀察兩個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在調(diào)試出比較理想的聯(lián)動(dòng)狀態(tài)之后，將一個(gè)直徑約為20 mm的筆套(內(nèi)含不同重量的砝碼)夾在它們之間，最終發(fā)現(xiàn)手指的最大夾持重量為20 g的砝碼。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)電機(jī)共同的最佳共振頻率在60～61 kHz之間。當(dāng)電壓加到200 V(峰峰值)，頻率為61.02 kHz時(shí)，機(jī)械手成功轉(zhuǎn)動(dòng)塑料筆套，完成“搓”的動(dòng)作，運(yùn)行狀態(tài)良好且速度較快，圖10為筆套在手指間運(yùn)動(dòng)的3個(gè)位置對(duì)比圖。在此過程中，此二指機(jī)械手的手指會(huì)繞著固定點(diǎn)作轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。即B1C1與水平方向的夾角從10°轉(zhuǎn)動(dòng)到48°，相應(yīng)的另外一個(gè)手指B2C2與水平方向的夾角從44°轉(zhuǎn)動(dòng)到5°，如圖11所示的手指輸出軌跡曲線。

圖10 筆套運(yùn)動(dòng)位置對(duì)比圖

圖11 機(jī)械手兩指輸出運(yùn)動(dòng)軌跡

4 結(jié) 語

本文首先介紹了臥板式直線超聲波電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理，然后對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并建出模型，最后試制了一款二指機(jī)械手。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二指機(jī)械手可以完成夾持筆套動(dòng)作，基本實(shí)現(xiàn)了雙指機(jī)械手樣機(jī)的預(yù)期操作動(dòng)作。

實(shí)驗(yàn)也證明了直線超聲波電動(dòng)機(jī)在機(jī)械手關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)中的可行性。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)電機(jī)輸出力/力矩的范圍還不夠?qū)?，因此它更適合作為小型的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。而這種小型直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在航天工程、生物、醫(yī)學(xué)、微型制造、集成電路制造和VLSI 裝配等方面已有廣泛的應(yīng)用[9]，所以未來直線超聲波電動(dòng)機(jī)會(huì)在太空機(jī)器人、生物醫(yī)療機(jī)器人等應(yīng)用方面具有廣闊前景。

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Experimental Study of Piezoelectric Ultrasonic Linear Motor Embedded Driving Robot Finger

ZHANGCheng-wu,ZHANGLu,LIChao-dong

(Shanghai University,Shanghai 200072,China)

The structure and working principle of a board-type horizontal piezoelectric linear ultrasonic motor were introduced.According to the idea of embedded driving, the structure design and the force analysis of a two-finger manipulator was carry out, and its prototype was proposed.The experiment demonstrates the ability of its griping object, and the feasibility that board-type horizontal linear ultrasonic motor can be used to drive the robot finger.

piezoelectric ultrasonic linear motor; embedded driving; two fingers manipulator; mechanism design; twist-pinch action

2016-01-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51577112)

TM359.4

A

1004-7018(2016)09-0026-03

章成武，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹本€超聲波電動(dòng)機(jī)。