機器人具有輪式、足式、蛇形、爬行、飛行、游動等豐富的運動形式（圖1）。在目前的研究中，機器人空中與水中的運動通常采用飛行與游動方式，陸上運動則以輪式、足式、蛇形、爬行等方式為主。相較于蛇形、爬行等復(fù)雜運動，輪式、足式和輪足式機器人的運動機理清晰，更便于機器人的設(shè)計與操控，相關(guān)研究成果也較為豐富。驅(qū)動腿足、腿輪可有效增加機器人牽引力和負載力，同時使機器人更加適應(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機器人多種運動形式

　　▍“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)動足會增大機器人系統(tǒng)的體積，基于仿生運動實現(xiàn)多足協(xié)同運動的控制難度、系統(tǒng)集成難度和設(shè)計成本也隨之增大。

　　針對這一問題，受多足蟲“多足+爬行”運動方式的啟發(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)計有多個仿蟲足矩形齒槽，以實現(xiàn)作動器構(gòu)型與運動仿生，圖2(b)與圖2(c)展示了作動器運動特點與仿生思路，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，負載能力可達6kg，是其自身重量的10.2倍，牽引能力可達24.5N，具有41.5N/kg的牽引力密度，運動性能優(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，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)出較為理想的運動性能。此外，作動器采用超聲縱向行波驅(qū)動，可在無負載時達到65.8mm/s的運動速度。

　　圖2超聲作動器的設(shè)計仿真與構(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到驅(qū)動作動器沿一定軌跡運動的目的，這種方式在超聲作動器和超聲電機中經(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)，但它們的機電耦合比縱向振動的行波作動器機電耦合弱，因此，采用夾持式換能器激勵的縱向行波作動器有利于實現(xiàn)良好的承載/牽引性能。

　　圖3駐波驅(qū)動的超聲電機與超聲作動器

　　▍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)同爬行運動。在縱向行波影響下，每個“足端”作近似橢圓運動，其運動軌跡受結(jié)構(gòu)的影響并在軌跡趨向圓形時獲得更優(yōu)的承載/牽引能力。與此同時，“多足”在縱向行波影響下協(xié)同運動，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動速度和負載性能，研究人員建立了如圖4所示的超聲作動器組端運動模型，最終實現(xiàn)作動器“行波驅(qū)動、多足協(xié)同”的仿生運動形態(tài)。

　　圖4超聲驅(qū)動行波作動器足端運動模型

　　圖5展示了超聲驅(qū)動行波作動器的運動過程。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)計與電壓，簡便地實現(xiàn)驅(qū)動器運動速度和運動方向的控制。

　　圖5超聲驅(qū)動行波作動器的運動過程

　　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)出的最大運動誤差不超過8%，體現(xiàn)了作動器良好的運動能力。

　　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，實現(xiàn)信號的完美放大，同時它也是一款在超聲電機超聲制動器驅(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

　　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)計相比，超聲驅(qū)動作動器結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，為仿生運動與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新思路。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，實現(xiàn)作動器機械系統(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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