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，更便于機器人的設計與操控，相關研究成果也較為豐富。驅動腿足、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崎嶇及不平坦路面環境。那么功率放大器能(neng)驅(qu)動超聲波作動器嗎？

　　圖1機器人多種(zhong)運動形(xing)式

　　▍“驅(qu)動器+腿足(zu)執行器”vs超聲(sheng)驅(qu)動行波(bo)作動器

　　傳統(tong)(tong)多足機器(qi)(qi)人以“驅動(dong)器(qi)(qi)+腿足執行器(qi)(qi)”形成足結構(gou)，驅動(dong)足會增(zeng)大(da)機器(qi)(qi)人系統(tong)(tong)的體積，基于仿生運(yun)動(dong)實現(xian)多足協(xie)同運(yun)動(dong)的控制難度(du)、系統(tong)(tong)集成難度(du)和設計成本也隨之增(zeng)大(da)。

　　針對這一問題，受多(duo)足蟲“多(duo)足+爬行”運動(dong)(dong)方式的啟發，山東(dong)大學智能無人系統教育部工程研(yan)究中(zhong)心吳疆(jiang)副(fu)研(yan)究員以超聲行波(bo)驅動(dong)(dong)為(wei)基礎(chu)，研(yan)發了一種具有高負載和(he)牽引能力(li)的仿生超聲驅動(dong)(dong)行波(bo)作動(dong)(dong)器，該研(yan)究成果以 Development of a Self-Moving Ultrasonic Actuator With High Carrying/Towing Capability Driven by Longitudinal Traveling Wave 為(wei)題刊登在 IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS。

　　如(ru)(ru)圖(tu)2(a)所(suo)示，作(zuo)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)振動(dong)(dong)(dong)(dong)體設計有(you)多(duo)個仿(fang)蟲足矩形齒槽，以(yi)實現作(zuo)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)構型與運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong)仿(fang)生，圖(tu)2(b)與圖(tu)2(c)展示了作(zuo)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong)特點與仿(fang)生思路(lu)(lu)，其最(zui)終構型如(ru)(ru)圖(tu)2(d)所(suo)示。作(zuo)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)尺(chi)寸(cun)長×寬(kuan)×高為315mm×32mm×30mm，在(zai)(zai)頻率和(he)峰值分別為27.8kHz和(he)800V的(de)(de)交流(liu)電壓驅動(dong)(dong)(dong)(dong)下，負載能力可(ke)(ke)達(da)6kg，是其自身重(zhong)量的(de)(de)10.2倍，牽(qian)引(yin)能力可(ke)(ke)達(da)24.5N，具有(you)41.5N/kg的(de)(de)牽(qian)引(yin)力密度(du)，運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong)性能優于(yu)(yu)現階(jie)段多(duo)數研究(jiu)成果。得(de)益于(yu)(yu)“多(duo)足+爬行(xing)”仿(fang)生設計，作(zuo)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)在(zai)(zai)一(yi)定程度(du)上(shang)繼承了生物體對(dui)各種(zhong)路(lu)(lu)面環境(jing)的(de)(de)適應能力，可(ke)(ke)穿過30mm的(de)(de)“寬(kuan)溝”，并(bing)在(zai)(zai)不同材質(zhi)的(de)(de)“路(lu)(lu)面”上(shang)展現出較為理想的(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong)性能。此外，作(zuo)動(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)采用超聲縱向行(xing)波驅動(dong)(dong)(dong)(dong)，可(ke)(ke)在(zai)(zai)無(wu)負載時達(da)到65.8mm/s的(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)(dong)(dong)速度(du)。

　　圖(tu)2超聲作動器的設計仿真(zhen)與構(gou)型視圖(tu)

　　▍為什么是縱向行波激勵？

　　超聲(sheng)(sheng)(sheng)作動(dong)(dong)(dong)器(qi)振(zhen)動(dong)(dong)(dong)傳播類型包括(kuo)駐波(bo)(bo)和行波(bo)(bo)。通過激發彎振(zhen)或縱振(zhen)形成駐波(bo)(bo)同(tong)樣可達到驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)作動(dong)(dong)(dong)器(qi)沿一定(ding)軌跡運動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)目的(de)(de)，這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)在超聲(sheng)(sheng)(sheng)作動(dong)(dong)(dong)器(qi)和超聲(sheng)(sheng)(sheng)電(dian)機中經常使(shi)用。圖3展示了駐波(bo)(bo)方(fang)式(shi)驅(qu)(qu)動(dong)(dong)(dong)的(de)(de)多種(zhong)超聲(sheng)(sheng)(sheng)電(dian)機與超聲(sheng)(sheng)(sheng)作動(dong)(dong)(dong)器(qi)。然而在駐波(bo)(bo)振(zhen)動(dong)(dong)(dong)下，模(mo)態簡并使(shi)得系統的(de)(de)高度(du)和長度(du)難以大(da)幅度(du)改變，振(zhen)動(dong)(dong)(dong)體結構復雜，在需要(yao)精(jing)確制造(zao)和安(an)裝的(de)(de)場(chang)景下此方(fang)法極為受(shou)限。

　　以彎曲行波(bo)形成板狀超(chao)聲作動(dong)器是另一(yi)種常見的(de)(de)傳統作動(dong)器設計方法。相較于駐波(bo)，彎曲行波(bo)很容易在結構中被激發，但它們(men)的(de)(de)機(ji)電耦合比縱(zong)向振動(dong)的(de)(de)行波(bo)作動(dong)器機(ji)電耦合弱(ruo)，因此，采用夾(jia)持式(shi)換能(neng)器激勵的(de)(de)縱(zong)向行波(bo)作動(dong)器有利于實現良(liang)好的(de)(de)承載/牽引性能(neng)。

　　圖3駐波驅動的(de)超(chao)聲(sheng)電機與超(chao)聲(sheng)作動器(qi)

　　▍行波驅動(dong)，多足協同

　　在(zai)縱(zong)向(xiang)行(xing)(xing)(xing)波(bo)振動(dong)(dong)下，作動(dong)(dong)器(qi)中形成沿振動(dong)(dong)體方(fang)向(xiang)并受兩端縱(zong)振換能(neng)器(qi)相位影(ying)響(xiang)的“多(duo)足”協(xie)同(tong)爬(pa)行(xing)(xing)(xing)運(yun)動(dong)(dong)。在(zai)縱(zong)向(xiang)行(xing)(xing)(xing)波(bo)影(ying)響(xiang)下，每個(ge)“足端”作近似橢圓運(yun)動(dong)(dong)，其運(yun)動(dong)(dong)軌(gui)跡受結構的影(ying)響(xiang)并在(zai)軌(gui)跡趨向(xiang)圓形時(shi)獲得更優的承載(zai)/牽引能(neng)力。與此同(tong)時(shi)，“多(duo)足”在(zai)縱(zong)向(xiang)行(xing)(xing)(xing)波(bo)影(ying)響(xiang)下協(xie)同(tong)運(yun)動(dong)(dong)，可帶動(dong)(dong)作動(dong)(dong)器(qi)沿某個(ge)設定方(fang)向(xiang)爬(pa)行(xing)(xing)(xing)。為了提高作動(dong)(dong)器(qi)的運(yun)動(dong)(dong)速度和負載(zai)性(xing)能(neng)，研究人(ren)員建立了如圖4所示(shi)的超聲(sheng)作動(dong)(dong)器(qi)組端運(yun)動(dong)(dong)模型，最終實現作動(dong)(dong)器(qi)“行(xing)(xing)(xing)波(bo)驅動(dong)(dong)、多(duo)足協(xie)同(tong)”的仿(fang)生運(yun)動(dong)(dong)形態。

　　圖4超(chao)聲驅動行波(bo)作動器足端(duan)運動模(mo)型

　　圖5展示了超聲驅動(dong)(dong)(dong)行波作(zuo)動(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)過程(cheng)。在作(zuo)動(dong)(dong)(dong)器(qi)控制方(fang)面(mian)，超聲驅動(dong)(dong)(dong)行波作(zuo)動(dong)(dong)(dong)器(qi)可通過調(diao)節頻率、相位設計與電壓，簡便地(di)實(shi)現(xian)驅動(dong)(dong)(dong)器(qi)運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)速度和運(yun)(yun)動(dong)(dong)(dong)方(fang)向的(de)控制。

　　圖5超聲驅(qu)動(dong)(dong)行波作動(dong)(dong)器的運動(dong)(dong)過程(cheng)

　　研究人員分別在木板和大理石材質模擬的(de)路況下(xia)，對作(zuo)動(dong)(dong)器速(su)度進行了階躍響應(ying)測(ce)試。如圖6所示(shi)，在測(ce)試條件下(xia)，作(zuo)動(dong)(dong)器在2種材質表面變現出的(de)最大運(yun)動(dong)(dong)誤差不超過8%，體現了作(zuo)動(dong)(dong)器良(liang)好的(de)運(yun)動(dong)(dong)能力(li)。

　　圖6超聲驅動行波作動器的(de)速(su)度階躍響(xiang)應曲線

　　圖7展示了(le)作動器(qi)對0.5~1Hz頻率(lv)動態(tai)變化速度信號的跟蹤效果(guo)，跟蹤誤(wu)差不超過(guo)7%，體現了(le)作動器(qi)良好的動態(tai)響應能(neng)力(li)。

　　圖7超聲驅動(dong)行波作動(dong)器(qi)的速度動(dong)態響應曲線

　　如(ru)圖8所示，由(you)于多足結(jie)構(gou)增(zeng)加了(le)作(zuo)(zuo)動器與地面的接觸“機(ji)會”，超聲驅(qu)動行波作(zuo)(zuo)動器可跨(kua)越30mm的距離，增(zeng)加了(le)作(zuo)(zuo)動器對復雜地面的適(shi)應能力(li)，拓展了(le)作(zuo)(zuo)動器的應用場景。

　　圖8超聲驅動行波作動器跨(kua)越寬溝的(de)運動過程(cheng)

　　ATA-68020功率放大器

　　ATA-68020是一(yi)款理想的(de)單(dan)通(tong)道(dao)功率(lv)放大(da)器(qi)。最(zui)(zui)大(da)輸(shu)出850Vp-p（±425Vp）電壓，最(zui)(zui)大(da)輸(shu)出電流2.12Ap，可(ke)與主流的(de)信(xin)號(hao)(hao)發生器(qi)配(pei)套(tao)使用，實現信(xin)號(hao)(hao)的(de)完美放大(da)，同時(shi)它也是一(yi)款在超聲(sheng)電機超聲(sheng)制動器(qi)驅(qu)動中常用到的(de)測試儀器(qi)儀表。

　　最大輸(shu)出電壓850Vp-p（±425Vp）

　　放大(da)倍(bei)數0~300倍(bei)可調，1倍(bei)步進

　　輸(shu)入電阻10kΩ

　　單通道

　　與(yu)傳統“驅(qu)動(dong)(dong)器+執行器”的(de)(de)足式結構(gou)設(she)計(ji)相(xiang)比，超(chao)(chao)聲(sheng)驅(qu)動(dong)(dong)作動(dong)(dong)器結構(gou)簡單，易于控制，為(wei)仿(fang)生運動(dong)(dong)與(yu)結構(gou)設(she)計(ji)提供了新思路。但超(chao)(chao)聲(sheng)驅(qu)動(dong)(dong)作動(dong)(dong)器離不開與(yu)之相(xiang)匹配(pei)的(de)(de)高頻高壓供能與(yu)驅(qu)控系統的(de)(de)支持。因此，如(ru)何將直流電(dian)源(yuan)、直流逆變電(dian)路、功放(fang)電(dian)路集成到超(chao)(chao)聲(sheng)驅(qu)動(dong)(dong)作動(dong)(dong)器系統中，實現作動(dong)(dong)器機(ji)械系統與(yu)電(dian)氣系統的(de)(de)阻抗匹配(pei)，形成無(wu)線(xian)纜(lan)限制、大范圍可移(yi)動(dong)(dong)的(de)(de)超(chao)(chao)聲(sheng)驅(qu)動(dong)(dong)作動(dong)(dong)器是(shi)未來具(ju)有重要意(yi)義的(de)(de)研(yan)究方向(xiang)。

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