基于谐振换能的多自由度压电自致动机构的研究

The kernel of miniaturization of mobile robot is how to minimize the structure size and ensure the functions of multi-degree of freedom (DOF), high speed, large load force and high precision. At present, micro mobile robots mainly utilize the characteristics of direct driving and structure flexibility, and use the driving methods of direct acting type, inchworm type and inertia friction type. However, the effect is unsatisfactory. Based on the principle of resonant piezo-actuation and characteristics of high speed and large force, the integration design method of piezo-actuator and mobile mechanism as micro piezo self-driving mechanism is proposed to resolve the problems of poor mobile flexibility, low speed and low load capacity. We will research the planning method of topological configuration, establish the hybrid control method synthesizing multi-mode excitation and multi-point parameter adjustment to realize multi-DOF driving, improve the conversion efficiency from electricity to vibrational energy according to the study of energy conversion principle and clarify and utilize the principle of ultrasonic antifriction effect to improve the movement performance by analyzing the processes of vibrational impact and contact friction. The research will fully play advantage of resonant piezo-actuation, expand the application area and provide the theoretical foundation and effective method of miniaturization, integration and multifunction for micro mobile robot.

移动机器人微小型化研究的核心问题在于如何在实现整体结构尺寸微小型化的同时，保证多自由度、大负载力、高速、高精度的运动性能。目前微小型移动机器人主要利用压电陶瓷材料直接驱动、结构灵活的特点，采用直动式、尺蠖式、惯性摩擦式驱动方法，但效果不够理想。本课题利用谐振式压电致动原理及其高速、大出力特性，提出谐振式压电致动器与移动机构融合设计形成微小型压电自致动机构的方法，以解决微小型机器人运动灵活性差、速度低、负载能力弱的难题。具体研究压电自致动机构拓扑构型规划方法；建立振动体多驱动足的多模态复合激励、多点参数调节的复合控制方法，实现多自由度致动；通过对压电换能机理的研究，提高电能—振动能的转化效率；通过振动碰撞接触摩擦过程的分析，阐述并利用超声减摩效应的机理，提高致动器的运动性能。该项研究将充分发挥压电谐振致动的优势，拓展其应用领域，并为移动机器人微小型化、集成化和多功能化提供理论基础和有效途径。

移动机器人尺寸微小化和功能复杂化是目前机器人研究的一个重要方向，实现微小型机器人多自由度、大负载力、高速、高精度的运动性能是该方向的一个热点及难点问题。目前利用压电陶瓷材料直接驱动的微小型移动机器人综合效果仍不够理想。本项目针对微小型机器人运动灵活性差、速度低、负载能力弱的难题，提出谐振式压电致动器与移动机构融合设计形成微小型压电自致动机构的方法，对以下五方面内容进行了研究，主要包括：1）压电金属复合梁单模态、复合模态的激励方法的研究；2）电能—振动能换能机理研究；3）夹心式直线超声电机间歇性接触摩擦建模与实验研究；4）夹心式多自由度谐振压电自致动机构研究；5）移动机器人路径规划及动态环境下运动状态研究。通过以上研究，提供了压电自致动机构拓扑构型规划方法；建立振动体多驱动足的多模态复合激励、多点参数调节的复合控制方法，实现多自由度致动；通过对压电换能机理的研究，提高电能—振动能的转化效率；通过振动碰撞接触摩擦过程的分析，阐述并利用超声摩擦机理，提高致动器的运动性能。该项研究发挥了压电谐振致动的优势，拓展其应用领域，并为移动机器人微小型化、集成化和多功能化提供了理论基础和有效途径。