受生物启发的微型自驱动超声波压电执行器：组合设计、分析与实验研究

《Ultrasonics》：Bio-inspired miniature self-moving ultrasonic piezoelectric actuator: combinatorial design, analysis, and experimental investigation

　　朱斌斌|郭一沐|范晨辉|彭宇飞|李超峰|王彦清
东北大学科学学院辽宁结构动力学重点实验室，沈阳110819，中国

摘要
快速移动、多自由度运动（multi-DOF）和强大的载荷能力是微型自移动压电执行器的关键性能指标，但在结构设计中平衡这些指标具有挑战性。受蟹蛛行走姿态的启发，本研究提出了一种微型超声压电执行器（UAHPA），通过独特的结构策略解决了这一trade-off问题。基于梁式拓扑结构，开发了一种环形组合弹性结构作为执行器的主体。该执行器的驱动足能够实现类似蟹蛛的多方向、大幅度的振荡，从而实现快速的3-DOF运动；同时，其坚固的结构能够支撑较大的载荷。这种设计策略还显著降低了结构刚度，避免了高频激励引起的过多能量损失。制造出的原型尺寸为31 × 31 × 7.8 mm3，重量为5.73 g。该执行器能够达到超快的线性速度1.02 m/s（相当于每秒32.9个身体长度），以及25.84 rad/s的旋转速度。原型的最大载荷达到402.06 g，约为其自身质量的70倍。综合来看，这些指标优于同类微型压电执行器。此外，该执行器还具有多任务处理能力，包括攀爬斜坡、避障和轨迹执行，并能在亚微米和亚毫弧度级别实现高精度定位。利用这些优势，UAHPA在晶圆检测和受限空间检测中展现出广泛的应用潜力。更重要的是，这项研究为微型自移动压电执行器的设计提供了新的思路，重点在于多性能集成。

引言
近年来，由于微型自移动执行器体积小、机动性强且适应性强[1]、[2]、[3]，它们引起了广泛的研究关注。这些特性使得它们能够在狭窄或受限环境中运行，如管道、小间隙和杂乱区域，从而在工业检测、环境监测或灾难救援等领域具有广泛的应用潜力[6]、[7]、[8]。在设计过程中，电磁电机仍然是首选的执行器[9]。例如，赵某[10]开发了一种微型跳跃执行器，可以分别实现870 mm和900 mm的垂直和水平跳跃距离。尽管它们的驱动效率很高，但复杂的控制和传动系统限制了进一步的小型化。因此，越来越多的人关注基于智能材料（如形状记忆合金[11]、液晶弹性体[12]、介电弹性体[13]和压电材料[14]）的微型执行器的开发。其中，形状记忆合金的运动稳定性有限，液晶弹性体响应缓慢，介电弹性体需要高电压驱动。压电执行器因其紧凑的设计、快速响应和高精度以及出色的坚固性[15]、[16]、[17]而非常适合用于微型执行器的开发。

根据工作方式的不同，自移动压电执行器通常被分为非共振[18]、[19]、[20]或共振[21]、[22]、[23]两种类型。在非共振类型中，压电执行器通常分为直接驱动、步进驱动和惯性驱动类型[24]。这些执行器通过积累压电元件的变形来实现运动，通常能达到纳米级的驱动精度，但其速度和运动范围有限[25]。在共振状态下，压电执行器可以在低电压下实现快速运动并支撑较大载荷[26]。这类执行器通过在其驱动足上生成椭圆形或斜向轨迹来实现运动[27]、[28]、[29]。根据工作模式，它们还可以进一步分为行波（TW）、驻波（SW）和混合模式（HM）类型[30]。其中，行波和驻波自移动压电执行器通常只能支持单自由度运动（如沿特定方向的线性或旋转运动[31]）。为了实现多自由度运动，需要将多个执行器并联连接，并在它们之间添加振动隔离机制[32]、[33]。例如，刘某[34]通过连接三个压电腿，提出了一种六足自移动压电执行器，可实现2-DOF运动。然而，这种设计策略不利于小型化，且需要复杂的激励信号。基于模态耦合特性，混合模式压电执行器可以在其驱动足上诱导多维振荡轨迹[35]、[36]、[37]。这种类型的执行器通过单个驱动单元即可实现多自由度运动。

在实际工业场景中，如电子元件的精密检测或在受限空间内的精细操作，微型压电执行器需要快速移动到目标位置，同时携带数百克的载荷并灵活调整运动方向[38]、[39]。因此，快速移动、多自由度运动和载荷承载能力是这些执行器的关键性能指标。吴某[40]开发了一种基于聚偏二氟乙烯薄膜的压电执行器，实现了20 BL/s的移动速度；吴某[41]提出的自推进超声执行器实现了41.5 N/kg的阻力密度。邓某[42]开发了一种受蚯蚓启发的压电执行器，能够在多变地形中移动。然而，这些自移动压电执行器仅限于单方向的前后运动。王某[43]提出了一种受T噬菌体启发的压电微执行器，可实现2-DOF运动，但缺乏承载重载荷的能力。孙某[44]提出的单足压电执行器和李某[45]开发的四足压电执行器在操作效率、自由度数量和载荷能力方面表现良好。然而，它们依赖于高频激励信号（>30 kHz），这不仅导致能量消耗过多（不利于无线操作），还对控制系统的响应速度和带宽提出了严格要求。值得注意的是，20–25 kHz范围内的驱动频率被认为是最佳选择，因为它位于超声范围内，可以避免噪声干扰，同时又低于30 kHz以防止能量损失和控制困难。因此，在微型自移动压电执行器中实现快速、多自由度运动和强大载荷能力仍然是一个挑战。

为了解决这一挑战，本研究提出了一种微型自移动压电执行器（UAHPA）。受蟹蛛行走姿态的启发，基于梁式拓扑结构开发了一种环形组合弹性结构。这种配置整合了行波和混合模式，使驱动足实现多维振荡轨迹，从而使执行器实现多自由度运动。此外，这种设计策略在同一尺寸下显著降低了结构刚度，将驱动频率降至理想范围。具体来说，所提出的自移动执行器实现了以下关键改进：
(i) 执行器具有简单紧凑的结构，包括一个环形底座、八个压电元件和四个驱动足。其整体尺寸和重量分别为31 × 31 × 7.8 mm3和5.73 g。
(ii) 通过耦合两种轴向振动模式（B03 i/ii）和一种径向振动模式（B02），执行器实现了平面线性和旋转运动。借助实时激励信号的控制，执行器能够沿复杂路径导航。
(iii) 最大线性速度达到1020 mm/s（相当于32.9 BL/s），旋转速度为25.84 rad/s。在脉冲激励下，执行器的线性分辨率为0.27 μm，旋转分辨率为0.1 mrad。
(iv) 执行器的最大载荷为402.06 g，约为其自身质量的70倍。执行器在线性运动时消耗1.37 W，在旋转运动时消耗2.25 W。无载荷时的运输成本（CoT）为23.16，满载时降至6.49。
(v) 该执行器具有良好的适应能力，能够攀爬21°的斜坡，在不同粗糙度的表面上运行，并穿越孔洞陷阱。最后，它在晶圆检测和受限空间检测中具有应用潜力。

本文的后续部分安排如下：第2节介绍结构设计和工作原理；第3节描述仿真分析；第4节介绍运动测试和性能比较；第5节提供结论性评论。

结构设计
蟹蛛的运动具有高机动性，其多腿结构和对称的身体使其能够在复杂环境中有效移动。如图1(a)所示，蟹蛛有八条宽而短的腿，类似于螃蟹的侧肢。左右腿分别标记为L1–L4和R1–R4。蟹蛛采用交替对角线步态进行移动。如图1(b)所示，腿与地面的接触状态……

参数确定和模态分析
采用有限元方法（FEM，ANSYS软件）模拟UAHPA的动态行为。环形底座和驱动足分别由7075铝合金和45钢制成。选择PZT-5H（保定宏声电子仪器有限公司，中国）作为压电元件，因为其高d31系数有助于实现大幅度的振动。这些材料的详细物理属性见表1。此外，PZT的压电本构矩阵……

原型制作
UAHPA及其原型的制作过程如图5所示。图5(a)中显示的主要组件包括环形底座、驱动足、PZT-A和PZT-R，重量分别为3.52 g、0.44 g、0.67 g和0.60 g。环形底座和驱动足由计算机数控（CNC）车床（深圳JLC技术集团有限公司，中国）加工。如图5(b)所示，PZT-A、PZT-R和驱动足依次粘贴到预定位置……

结论
受蟹蛛行走姿态的启发，本研究提出了一种微型超声压电执行器。基于梁式拓扑结构设计了一种环形组合弹性结构作为执行器主体。通过耦合两种轴向振动模式（B03 i/ii）和一种径向模式（B02），UAHPA在其驱动足上诱导大幅度的多维振荡，实现了快速的多自由度运动。凭借其坚固的底座，所提出的执行器表现出优异的载荷承载能力。

作者贡献声明
朱斌斌：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、数据整理、概念化；
郭一沐：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、研究；
范晨辉：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、研究；
彭宇飞：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、研究；
李超峰：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论；
王彦清：撰写——审阅与编辑；

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢
本项目得到了国家自然科学基金（批准号12272088）、辽宁省优秀青年科学基金（批准号2024JH3/50100013）和中央高校基本科研业务费（批准号N25QNR013）的支持。