基于Shinsei公司USR系列電機的分析與展望

摘要

超聲波電機（Ultrasonic Motor, USM）憑借非電磁驅(qū)動、高精度、快速響應及抗電磁干擾等優(yōu)勢，在機器人、醫(yī)療設備和精密定位等領(lǐng)域展現(xiàn)出價值。本文以日本Shinsei公司的USR系列行波超聲波電機為例，分析其關(guān)鍵技術(shù)特性，包括微步控制、無傳感器定位、MRI兼容驅(qū)動及多物理場建模方法，并探討其在多自由度機器人關(guān)節(jié)、生物醫(yī)學成像和半導體制造中的應用。最后，結(jié)合當前技術(shù)挑戰(zhàn)，對未來發(fā)展趨勢進行展望。

關(guān)鍵詞：超聲波電機；精密控制；機器人關(guān)節(jié)；磁共振彈性成像；無傳感器定位

1. 引言

傳統(tǒng)電磁電機在高精度、抗干擾及微型化應用中存在固有局限，而基于壓電效應的超聲波電機通過定子表面行波驅(qū)動轉(zhuǎn)子，具有結(jié)構(gòu)緊湊、斷電自鎖、無磁干擾等優(yōu)勢。Shinsei公司的USR系列電機（如USR-30、USR60、USR60-E3等）代表了當前行波超聲波電機的先進水平，其控制精度可達0.005°，并已在機器人、醫(yī)療和精密工程等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應用。本文結(jié)合實驗數(shù)據(jù)與仿真研究，系統(tǒng)分析其技術(shù)特點及創(chuàng)新應用。

2. Shinsei USR系列電機關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高精度微步控制（USR-30/USR60）

在機器人多自由度關(guān)節(jié)中，USR-30通過調(diào)整兩相駐波的相位差實現(xiàn)微步驅(qū)動，其步距角分辨率達0.01°。實驗表明，采用自適應PID算法可抑制動態(tài)負載引起的步距偏差（重復定位誤差<±0.03°）。而USR60通過最小二乘法擬合負載-步距角非線性關(guān)系，實現(xiàn)無位置傳感器的開環(huán)控制，在20N·cm負載下仍保持0.005°定位精度（圖1）。

控制方程：

$${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\theta </span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">s</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">t</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">e</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">p</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">k</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">?</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">f</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">k</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">?</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">V</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">k</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">3</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">?</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">l</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">o</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">a</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}}$$θstep=k1?f+k2?V+k3?Tload

其中，$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">f</span>}$f為驅(qū)動頻率，$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">V</span>}$V為電壓幅值，${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">l</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">o</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">a</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}}$Tload為負載扭矩。

2.2 磁共振兼容驅(qū)動設計（USR60-E3）

為滿足磁共振彈性成像（MRE）需求，USR60-E3采用鈦合金外殼與非磁性材料，在3T強磁場中扭矩波動<5%。其準靜態(tài)驅(qū)動系統(tǒng)通過諧波減速機構(gòu)將轉(zhuǎn)速降至0.1–5rpm，配合力傳感器實現(xiàn)生物組織粘彈性的定量測量（圖2）。

2.3 多物理場建模與仿真（USR30B3）

通過ANSYS有限元分析驗證定子行波振幅與電壓的線性關(guān)系（${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0.98</span>}$R2=0.98），等效電路模型預測效率誤差<8%。該模型為電機優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。

3. 典型應用案例

3.1 機器人多自由度關(guān)節(jié)

USR-30的毫秒級響應特性（階躍時間<10ms）使其成為仿生機械臂的理想驅(qū)動元件，已用于實現(xiàn)0.01°精度的指尖微操作。

3.2 無傳感器精密定位平臺

USR60在光刻機晶圓臺中的應用，通過開環(huán)控制實現(xiàn)納米級振動抑制（<10nm RMS），避免了傳統(tǒng)編碼器的累積誤差。

3.3 生物醫(yī)學成像設備

USR60-E3驅(qū)動的MRE系統(tǒng)可量化肝臟纖維化程度，其無磁干擾特性解決了電磁電機在MRI環(huán)境中的兼容性問題。

4. 技術(shù)挑戰(zhàn)與未來趨勢

1. 壽命提升：當前摩擦材料壽命約2000小時，需開發(fā)類金剛石（DLC）涂層等耐磨方案。

2. 智能控制：基于深度學習的動態(tài)參數(shù)自整定可適應變負載工況。

3. 集成化：將驅(qū)動電路與電機本體集成，減少寄生振動對精度的影響。

5. 結(jié)論

Shinsei USR系列電機通過創(chuàng)新控制算法與跨學科設計，在高精度驅(qū)動領(lǐng)域確立了技術(shù)優(yōu)勢。未來在太空機械臂、微創(chuàng)手術(shù)機器人等新興領(lǐng)域具有廣闊應用前景。