一种微型化的2自由度压电旋转平台，适用于低功耗和高带宽应用

《International Journal of Mechanical Sciences》：A miniaturized 2-DOF piezoelectric rotary platform for low-power and high-bandwidth

微型化低功耗高带宽双自由度压电旋转平台通过单层压弯式压电作动器与柔性机构集成实现，具有2.6mrad旋转行程、0.27μrad分辨率和8571Hz固有频率，适用于航天姿态调整系统。

　　

Jinghan Guan|Shijing Zhang|Jie Deng|Junkao Liu|Yingxiang Liu

中国黑龙江省哈尔滨市哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，邮编150001

摘要

二维（2-DOF）压电旋转平台能够实现高精度的角度控制，非常适合用于姿态调整应用。然而，机器人和航空航天领域对平台的小型化和低功耗有更高要求。本研究提出了一种不同于现有平台的驱动方式，并开发了一种新型旋转平台。该平台通过将柔性机构与单个夹层式弯曲压电执行器（BPA）相结合，实现了2-DOF旋转。BPA由四个独立分段的压电陶瓷组成，利用两个电压信号产生正交方向的弯曲运动。其电容为8 nF，并配备了位移放大装置，从而在保持低功耗的同时实现较大的输出角度。通过建立理论模型来描述执行器的弯曲位移如何传递到柔性机构的弹性变形，结果与有限元分析结果高度吻合。实验表明，该平台可达到2.6 mrad的旋转行程，并具有良好的线性度，分辨率可达0.27 μrad。其固有频率为8571 Hz，负载下的工作带宽为3604 Hz。其微型化设计使得平台重量仅为50克，尺寸为Φ24 mm × 32.2 mm。这些特点显著提升了其在姿态调整系统中的应用潜力。

引言

机器人末端执行器和航空航天领域对旋转平台提出了更高的要求[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。这些应用不仅要求旋转平台具有高角度精度[[7], [8], [9]]，还要求其具备小型化[[10,11]]、低功耗[[12], [13], [14]]和高带宽[[15]]。作为一种通用的机器人末端执行器，旋转平台需要更轻的重量和更小的尺寸以便于集成[[16], [17], [18], [19]]。在航空航天应用中，资源较为有限[[20,21]]，因此旋转平台必须同时实现小型化和低功耗。高带宽能够提高系统响应速度和精度[[22,23]]，从而实现快速对齐和有效的振动抑制[[24,25]]。

柔性机构的弹性变形可以产生高精度的位移输出[[26], [27], [28]]。如何在柔性机构中诱导这种变形是旋转平台设计的关键。因此，研究人员基于几种常见的驱动原理（微机电系统（MEMS）、音圈电机和压电技术[[29], [30], [31], [32], [33]]）进行了相关研究。基于MEMS的平台利用微纳制造技术实现小型化和大位移[[34,35]]，但所需的较大变形会降低结构刚性，导致共振频率相对较低（通常约为1 kHz[[37,38]]，且负载能力也有限。音圈电机平台虽然解决了负载能力问题，但其机械结构限制了其在千赫兹范围内的应用[[39], [40], [41], [42]]。压电材料通过逆压电效应产生变形，无需额外的传动机构，从而实现小型化和高带宽[[43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50]]，并且其对电磁干扰具有抗干扰性，适用于航空航天和生物医学领域[[51], [52], [53]]。

旋转平台通过柔性机构将压电材料的变形转换为角度输出[[54], [55], [56], [57]]。压电堆（PSA）是一种常用的执行器配置，具有较高的输出力和较大的位移。Ding等人[[58]]通过储存和释放弹性势能在滑移-粘附式压电执行器中实现了99.1 mm/s的速度。Deng等人[[59]]提出了一种结合杠杆式铰链和PSA的压电执行器，实现了2.32 μrad的角度分辨率。Yan等人[[60]]利用弹性势能抑制了滑移-粘附式执行器中的反向运动，达到了0.332 μrad的角度分辨率。滑移-粘附式驱动方式可以实现跨尺度角度输出，但摩擦引起的磨损和非线性会降低精度[[61], [62], [63]]。对于小角度应用，直接驱动更为理想。Zhou等人[[64]]开发了一种由单个压电堆执行器（PSA）驱动的1-DOF旋转平台，通过添加杠杆式位移放大器和预加载机构，实现了8.4 mrad的行程和6660 Hz的一阶固有频率。Kim等人[[65]]使用三个压电执行器（PAs）在Φ20 mm × 3 mm的平台上实现了双轴运动，通过两级杠杆式位移放大机构，系统达到了0.56°的行程、1.27 μrad的分辨率和282 Hz的带宽。Han等人[[66]]开发了一种尺寸为Φ16 mm × 30 mm的紧凑型旋转平台，实现了4 mrad的行程和3240 Hz的一阶固有频率。Li等人[[67]]展示了由十二个PSA驱动的平台，实现了95 mrad的大行程、440 Hz的高固有频率和0.38 μrad的分辨率。基于PSA的旋转平台具有较大的行程和高刚性，但由于PSA的较高电容以及多个执行器的使用，导致功耗较大[[68]]。因此，需要一种电容较低的新型压电执行器，并且能够通过单个执行器实现二维运动。

开发一种小型化、低功耗、高带宽的旋转平台仍然是一个挑战[[69]]。这些性能特点对于先进的机器人末端执行器和激光通信系统至关重要[[70]]。与以往的研究[[43,71]]相比，本研究的主要贡献在于将单个弯曲压电执行器（BPA）与柔性机构相结合，开发出了新型旋转平台。BPA可以通过正负电压驱动，比PSA更易于操作且更可靠[[72]]，同时具有多模式工作潜力，在准静态模式下提供高定位精度，在共振模式下实现高速度[[70]]。由于本研究关注高精度性能，因此采用准静态模式实现了亚微弧度的角度分辨率。本文提供了一种完整的解决方案方法，包括理论建模、有限元分析、原理分析和实验验证，建立在以往研究的基础上[[73], [74], [75], [76]]。尽管之前已有研究[[43,71]]探讨了基于BPAs的旋转平台，但对其内部旋转机制的深入分析仍不足。旋转运动需要能够同时产生弯曲和扭转变形的柔性机构，传统的分析方法对此无法有效处理。为了解决这一问题，本研究提出了专门针对旋转运动的变形分析和理论建模框架。此外，所提出的旋转平台在小型化、低功耗和高带宽方面具有显著优势。

本文的结构安排如下：第2节介绍了所提出旋转平台的结构设计和工作原理；第3节建立了输入激励电压与输出角度变形之间的理论模型，并利用有限元分析（FEA）预测了行程和一阶固有频率等关键性能指标；第4节详细阐述了实验验证过程，包括静态和动态特性分析、闭环反馈控制实现以及在光束转向应用中的演示；第5节总结了主要研究成果和贡献。

结构设计和工作原理

本节介绍了所提出旋转平台的结构设计和工作原理。该设计将单个BPA与整体式柔性机构结合，以实现紧凑、低功耗、高带宽的旋转。为便于理解，内容分为两部分：第2.1节详细说明了平台的结构和组件，以及BPA的驱动方式和结构，强调了机械完整性和动态性能的重要性。

理论建模与仿真分析

本节建立了平台机械特性的理论建模和仿真分析框架。为了预测其在电激励下的旋转行程，开发了一个专门的理论模型，考虑了柔性机构中的弯曲和扭转变形。该模型通过多轴弯曲铰链和横梁结构的力和变形分析，将输入电压与输出角度联系起来。

实验

本节对所提出的旋转平台进行了全面的实验验证，评估了其静态、动态性能和应用能力。实验内容包括旋转范围、线性度、分辨率、功耗、带宽和闭环控制精度等方面的评估。首先介绍了实验装置、测量原理和数据采集方法，随后报告了开环静态实验结果。

结论

本研究通过将单个低电容BPA与整体式柔性机构相结合，开发出了一种二维压电旋转平台。与传统依赖多个高电容堆执行器或复杂多执行器布置的方法不同，该平台仅使用两个独立电压信号即可实现完整的2-DOF旋转，简化了驱动电子设备和控制架构。BPA能够实现正交方向的弯曲运动，同时保持良好的性能。

CRediT作者贡献声明

Jinghan Guan：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据验证、数据分析、形式化分析。Shijing Zhang：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据验证、概念构思。Jie Deng：撰写 – 审稿与编辑、可视化处理、实验设计、方法论研究、形式化分析。Junkao Liu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验设计、资金筹集。