基于超聲驅動器的巖石樣品采樣設備

白永明，時運來

(1. 無錫工藝職業技術學院，江蘇 宜興 214206; 2. 南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

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基于超聲驅動器的巖石樣品采樣設備

白永明1，時運來2

(1. 無錫工藝職業技術學院，江蘇 宜興 214206; 2. 南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

摘要：超聲驅動器是近幾十年發展形成的新型驅動裝置，因其具有一些顯著優點，在某些特殊領域有著較好的應用前景，特別適合在深空探測使用。針對現階段外太空研究中樣品取樣設備的需求和已有的關于超聲驅動器研究成果，提出了研制基于超聲驅動器的巖石樣品采樣設備并進行了一些試驗研究，取得了一些初步研究成果。

關鍵詞：超聲驅動器；巖石樣品；采樣設備

0引言

據美、俄對月球探測，發現月球等外星球上含有豐富的礦藏，為人類提供了新的能源來源。為了準確了解星外巖石的構成和含量，必須對巖石進行采樣分析。但外太空上幾乎是真空環境，而且溫差變化特別大，在此惡劣的環境條件下完成巖石樣品采樣的工作一般靠無人操作的設備進行。采樣設備包括采樣小車、鉆探器械等裝置。此外，要把大量用于科考的設備送入外太空，除大推力火箭以外，更需要在科考設備的材料上下功夫，在滿足使用要求的前提下必須選擇質量輕的新材料。

超聲驅動器是20世紀80年代成型并發展起來的一種新型驅動器，它的驅動基于壓電和摩擦技術，突破傳統驅動器依靠電磁驅動的機理。與電磁驅動相比，超聲驅動器具有斷電自鎖、質量輕、低轉速大力矩、工作不產生磁場也不受磁場干擾、響應快和無需傳動裝置直接驅動等優點[1]。

因此根據深空探測現實需要和已有關于超聲驅動的研究成果，提出基于超聲驅動器的新型巖石樣品采樣設備的研究。

1采樣小車的設計[2]

圖1　小車結構原理圖

采樣小車總體設計的原理如圖1所示，其中虛線框為采樣小車部分的構成設計。遙控器發出遙感信號，控制小車的主要運動，設置在飛船艙內或者地面控制中心。當飛船在外太空著落后小車駛出艙外至設定的采樣位置，由宇航員或者地面人員在CCD攝像的引導下操作遙控器控制。紅外傳感器和接觸式傳感器作為輔助控制設備，用于小車到達指定位置移動或鉆探過程中有障礙物時的自主位置微調控制。紅外傳感器通過紅外波的發射、接收檢測對周圍環境有無障礙物進行判斷，實現非接觸避障；接觸式傳感器即碰撞開關主要在紅外線可能檢測不到的某些情況下起作用，屬于接觸避障。控制器根據遙感信號發出控制小車的如何行走的指令；根據傳感信號并在綜合分析的基礎上，控制小車的自主位置微調。采樣區域的圖像可由飛船自帶的高速CCD相機攝取。

采樣小車結構相對簡單，主要由驅動、傳感和控制等模塊構成，能裝載鉆探器并移動至指定的采樣區域，如圖2所示。

圖2　模塊構成

整個系統在控制模塊的管理下協調工作，完成設定的目標。

1.1各功能模塊的功能實現

a) 驅動模塊

深空環境條件十分惡劣，為了掌握超聲電機在深空環境下的性能，南航精密驅動所開展了超聲電機在高低溫、振動和真空環境下的試驗研究，取得了一些更精確的研究數據，得出在一定溫度變化范圍內、真空環境下和振動條件下超聲電機能正常工作[3-5]。因此選用新型的60(定子尺寸)超聲電機作為驅動電機，直接驅動負載，不需要傳動裝置，以減小機器人的體積和質量。

超聲電機直接安裝在兩個驅動輪上，驅動小車運動。小車運動的動作主要包括前進、后退、左轉、右轉，通過調節兩輪的轉向、轉速和速差即可實現。兩輪同向同速向前或向后實現小車的前進或者后退；左輪旋轉右輪停止可實現小車的右轉；右輪旋轉右輪停止實現小車的左轉，而小車的轉向輪處于隨動狀態。超聲電機的調速方式有調節驅動頻率、電壓和相位三種方式[6]，在此選擇操作相對方便的調頻調速，通過調節超聲電機諧振點附近的驅動頻率來實現超聲電機轉速的調節。電機驅動器就使用南航精密驅動研究所自制的超聲電機專用驅動器。

b) 傳感模塊

小車傳感器位置布置如圖3所示，主要用于采樣位置自主微調避障。紅外線傳感器紅外發射管發出紅外光，光電接收管接收物體的反射光，據此機器人可以判斷是否有障礙物及其與之的距離，用于在前進過程中的提前避障。采用近距離紅外傳感器的優點是其體積小、使用方便、對環境的要求不高，而且可避開外部的干擾光線。接觸式傳感器(碰撞開關)布置在小車裙罩周邊，當障礙物比較小或紅外傳感器對障礙物顏色不敏感時起作用。接觸式傳感器能檢測到6個方位的障礙物，如圖4所示。當判別出是哪個方位時，控制器就發出向相反方向運動的指令。紅外線傳感器與碰撞開關一起實現小車的避障功能。

圖3　傳感器位置布置

圖4　 六個方位避障

c) 控制模塊

小車運動的軌跡相對簡單，只要完成到預定位置的行走即可。處理器可以選擇單片機或DSP，但DSP在運算速度、存儲空間以及減少外圍電路等方面具有優越性。結合采樣小車工作環境的實際要求，研究的控制器選用TI公司的專門用于電機控制的TMS320LF2407A處理器。

控制器的主要功能：接收遙感信號；檢測紅外線、碰撞開關和轉速的反饋信號。根據檢測信號綜合分析發出指令控制小車的運動。

制成的樣車如圖5所示。

圖5　取樣小車樣車

2鉆探器的設計

與其他市面上的沖擊鉆、電錘等鉆探設備相比，超聲波鉆探器具有一些顯著優點：結構簡單，體積小、質量輕、功耗低、無需提供大的軸向力，不存在運動副，不需要潤滑、鉆頭無需刃口，不存在鉆頭磨鈍問題，整個裝置無旋轉運動，無需保持旋轉力矩；可在高溫或低溫條件下工作等，非常適合深空探測研究使用。當前國內、外也正在開展此項研究，期望將其用于深空探測研究中。

蘭杰文振子結構，如圖6所示，是一種利用壓電陶瓷的縱向效應(d33)構造的超聲壓電振子，具有結構簡單、效率高、允許輸入較大的電功率、振子的輸出端具有較高的振動速度的位移振幅和聚能作用等優點。因此采用蘭杰文振子結構設計鉆探器。

圖6　蘭杰文振子

當前已有的大多數超聲加工技術是利用變幅桿來放大蘭杰文振子的振動，經研究證實此種結構的振幅太小，對一些堅硬物質的破碎效果不佳。經過適當改進，增加能量積蓄/轉換部件—自由質量(圖7)，取得較好的試驗效果[7]。

圖7　超聲鉆探器實物

圖8和圖9為上述超聲波鉆探器鉆探的實際效果。

圖8　混凝土鉆探效果

圖9　磚塊鉆探效果

3結語

設計的小車能在一定的地表環境行走，基本達到設定的要求。但是要用于深空探測還需開展更深入的試驗，結構上還需改進。

設計的超聲鉆探器也達到預期目標，能鉆探混凝土等堅硬材質。

研究拓展了超聲驅動器的應用領域，為超聲驅動器在月球探測中的應用作了一些探索性研究，但外太空物質采樣設備的研制是一個綜合工作，還需要聯合多個相關單位共同攻關。

參考文獻:

[1] 趙淳生，朱華. 超聲電機技術的發展和應用[J]. 機械制造與自動化，2008，37(3)： 1-9.

[2] 王宏建. 超聲電機驅動的自主吸塵機器人研制[D]. 南京：南京航空航天大學，2006：9-14.

[3] 鄭偉，趙淳生. 低溫環境下超聲電機定子特性[J]. 南京航空航天大學學報，2009，41(1)：1-4.

[4] 鄭偉，朱春玲，蘆丹，等. 高溫環境下旋轉型行波超聲電機性能研究[J]. 中國電機工程學報， 2008，28(21)：85-89.

[5] 蘇娜，蘆丹，趙淳生. 超聲電機在真空環境下的負載特性試驗研究[J]. 振動、測試與診斷，2006，26(2)：151-153.

[6] 白永明. 激光多普勒面內振動測試系統的研發[D]. 南京：南京航空航天大學，2007：25-30.

[7] 郭俊杰. 新型超聲波鉆探器的研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2008：5-1.

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Lunar Soil Sampling Equipment Based on Ultrasonic Actuator

BAI Yong-ming1, SHI Yun-lai2

(1.Wuxi Institute of arts and Technology，Yixing 214206, China;

2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016, China)

Abstract:Ultrasonic actuator is a new drive device developed in recent decades. Because of its significant advantages, it has a good application prospects in some special fields, especially suitable for use in deep space exploration. According to the demand of sampling device in outer space research, and the existing research results on ultrasonic actuator development, a rock samples sampling equipment is desiged based on ultrasonic actuator, then some experimental researches are made and some preliminary research results are got.

Keywords:ultrasonic actuator; rock specimen; sampling equipment

收稿日期：2014-04-22

中圖分類號：TH248

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)03-0080-03

作者簡介：白永明(1982-)，男，江蘇宜興人，碩士，講師，從事機電一體化研究。