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·40·《测控技术》2004年第23卷第12期

文章编号：1000–8829(2004)12–0040–03

超声电机驱动的二轴机械臂控制系统
AControlSystemfora2-DOFRobotArmDrivenbyUltrasonicMotors

（东南大学仪器科学与工程系，江苏南京210096）张焱，宋爱国

（东南大学电气工程系，江苏南京210096）金龙，胡敏强，顾菊平

摘要：超声电机相对于传统的电磁驱动电机具有低速大转矩、扰、动作响应快、运行无噪声、无输入自锁等特性。因此，超
无电磁干扰、响应快、无输入自锁、可直接驱动负载等许多优声电机定位精度高，可直接驱动负载。基于超声电机的上述特
点，更能适应工业机器人机械臂的控制灵敏、体积小、定位精点，将其作为一种新型的自动控制执行器，是对传统电磁电机
度高等控制要求。笔者针对基于超声电机的二轴机械臂的定位的突破和有力补充，更加适用于机器人机械臂、手的定位控制
控制系统制作了硬件驱动电路和控制软件，并通过实验证明了[4]。然而，定位控制驱动电路设计的好坏是能否发挥超声电
该硬件驱动电路和控制软件的有效性，实现了超声电机驱动的机优点的关键。
二轴机械臂的快速、精确定位控制。笔者利用所研究的环形行波超声电机，对超声电机驱动的
关键词：超声电机；机械臂；控制二轴机械臂的逆向运动学模型进行了研究，对机械臂定位控制
中图分类号：TM383系统制作了硬件驱动电路，利用逆向运动学原理，设计了两机
文献标识码：A械臂转角和方向的计算规则，并编制了控制软件。系统的硬件
驱动电路和控制软件能满足控制要求，实现了超声电机驱动的
Abstract：Comparedwithtraditionalmotors,anultrasonicmotor二轴机械臂的快速、精确伺服定位控制。
（USM）isoneofthedirect-drivenmotorswithacompletenew
1机械臂系统结构
drivingprincipleandadvantageswhicharefitforconstructingdex-

terousrobotarmsandmanipulators.Arobotarmdrivenbytwo基于超声电机的二轴机械臂如图1所示，其中关节O1固

USMsanditspositioncontrolsystemaredeveloped.Theperform-定，臂O1O2可绕关节O1旋转，臂O2A可绕关节O2旋转。在

anceoftherobotarmisconfirmedbydrivingtests.Itshowsthatthe关节O1处安装一Φ100mm行波超声电机，关节O2处安装一
USMisoneoftheexcellentandadvancedmotorstorealizeflexibleΦ60mm行波超声电机，由超声电机驱动机械臂做360°旋
drivingandcontrolinrobotarms转。两电机的特性如表1所示。两电机各安装有3600线增量

Keywords：ultrasonicmotor（USM）；robotarm；control式光栅作为位置传感器。

A
机器人技术已在越来越多的工业场合得到应用，但随着机y
器人技术的提高，对工业机器人机械臂的驱动控制系统也提出

了越来越高的要求。例如对空间机器人和医用机器人，要求其l2
θ2l
l1
机械臂控制系统定位准确、响应迅速，且驱动装置体积紧凑，l

O2
出力大，而传统的电磁驱动电机为获得控制系统所要求的低速O1θ1
大扭矩，一般须带有减速传动机构，不仅增加了驱动装置的重x
量和体积，而且减速齿轮间的间隙和磨损阻碍了电机快速性和
精确性的提高[1~3]。图1二轴机械臂示意图
超声电机是利用压电材料具有的逆压电效应，将电能直接
[5]
转变成机械振动能，并利用摩擦转变成旋转或其他方式运动的2机械臂的逆向运动学模型
驱动装置。与传统的电磁驱动电机相比，超声电机没有绕组和
由图1可知，二轴机械臂可绕关节O1和O2旋转，已知
磁性元件，结构更为简单紧凑，具有低速大转矩、无电磁干
O1O2长度为l1，O2A长度为l2，由几何分析法，根据A点坐标

（x，y）可得到θ1、θ2的表达式。

收稿日期：2004–06–02x=l1cosθ1+l2cos（θ1+θ2）（1）

基金项目：国家自然科学基金资助项目（50277006）y=l1sinθ1+l2sin（θ1+θ2）（2）
作者简介：张焱（1970—），女，河南人，在读博士研究生，将式（1）、（2）化简，得
2222
高级工程师，研究方向为机械手的控制技术。x+y=l1+l2+2l1l2（cosθ1cos（θ1+θ2）+sinθ1sin