慣性式多自由度壓電作動器的結構設計與實驗

鄭 科,邱建敏,王一平,楊 穎

(南京航空航天大學 航空學院，南京 210016)

0 引 言

多自由度驅動機制可以應用于衛星天線指向，天文望遠鏡姿態調整，激光通信，精密光學跟蹤系統，類人機器人眼球系統和太陽跟蹤系統等先進領域[1-5]。研究人員試圖利用不同的驅動原理設計多自由度作動器，例如空間并聯機構[6-7]，形狀記憶合金驅動機構[8]和氣動人造肌肉驅動機構[9]。這些根據不同驅動原理設計的多自由度作動器需要大量的中間傳動部件，例如連桿、齒輪、鉸鏈等，從而導致體積相對較大。

電磁球形電機[10-12]在不需要任何中間傳動部件的情況下便能實現球形轉子的多自由度旋轉運動。電磁球形電機雖然輸出扭矩大，但磁極分布、線圈結構復雜，且質量偏重，不利于進一步的小型化。

壓電多自由度作動器結構緊湊，設計靈活，且具有位移分辨率高、響應速度快、斷電自鎖等優點[13]。Yang等人[14]利用圓柱形定子的縱彎復合模態實現了球形轉子繞三個坐標軸的旋轉運動。LU Bo等人[15]提出了一種圓環狀定子型多自由度壓電作動器，整體采用夾心式結構，球形轉子夾在兩個環狀定子中間，但是定子磨損嚴重。Nakajima等人[16]提出了一種結構緊湊的球形定子，并討論了其工作模態和激勵方法，但原理樣機的輸出特性還沒有進行報道。WANG Liang等人[17]提出了一種十字梁型壓電作動器，它利用單驅動足驅動球形轉子繞三個坐標軸高速旋轉，但其整體尺寸較大。SHI Shengjun等人[18]提出了一種可實現高輸出轉矩的緊湊型多自由度超聲波電動機，但定轉子之間的接觸模型還需要進一步優化。……