摘要

超声波电机（Ultrasonic Motor, USM）凭借非电磁驱动、高精度、快速响应及抗电磁干扰等优势，在机器人、医疗设备和精密定位等领域展现出价值。本文以日本Shinsei公司的USR系列行波超声波电机为例，分析其关键技术特性，包括微步控制、无传感器定位、MRI兼容驱动及多物理场建模方法，并探讨其在多自由度机器人关节、生物医学成像和半导体制造中的应用。最后，结合当前技术挑战，对未来发展趋势进行展望。

关键词：超声波电机；精密控制；机器人关节；磁共振弹性成像；无传感器定位

1. 引言

传统电磁电机在高精度、抗干扰及微型化应用中存在固有局限，而基于压电效应的超声波电机通过定子表面行波驱动转子，具有结构紧凑、断电自锁、无磁干扰等优势。Shinsei公司的USR系列电机（如USR-30、USR60、USR60-E3等）代表了当前行波超声波电机的先进水平，其控制精度可达0.005°，并已在机器人、医疗和精密工程等领域实现商业化应用。本文结合实验数据与仿真研究，系统分析其技术特点及创新应用。

2. Shinsei USR系列电机关键技术

2.1 高精度微步控制（USR-30/USR60）

在机器人多自由度关节中，USR-30通过调整两相驻波的相位差实现微步驱动，其步距角分辨率达0.01°。实验表明，采用自适应PID算法可抑制动态负载引起的步距偏差（重复定位误差<±0.03°）。而USR60通过最小二乘法拟合负载-步距角非线性关系，实现无位置传感器的开环控制，在20N·cm负载下仍保持0.005°定位精度（图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为驱动频率，$\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">V</span>}$V为电压幅值，${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">l</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">o</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">a</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">d</span>}}$Tload为负载扭矩。

2.2 磁共振兼容驱动设计（USR60-E3）

为满足磁共振弹性成像（MRE）需求，USR60-E3采用钛合金外壳与非磁性材料，在3T强磁场中扭矩波动<5%。其准静态驱动系统通过谐波减速机构将转速降至0.1–5rpm，配合力传感器实现生物组织粘弹性的定量测量（图2）。

2.3 多物理场建模与仿真（USR30B3）

通过ANSYS有限元分析验证定子行波振幅与电压的线性关系（${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0.98</span>}$R2=0.98），等效电路模型预测效率误差<8%。该模型为电机优化设计提供了理论依据。

3. 典型应用案例

3.1 机器人多自由度关节

USR-30的毫秒级响应特性（阶跃时间<10ms）使其成为仿生机械臂的理想驱动元件，已用于实现0.01°精度的指尖微操作。

3.2 无传感器精密定位平台

USR60在光刻机晶圆台中的应用，通过开环控制实现纳米级振动抑制（<10nm RMS），避免了传统编码器的累积误差。

3.3 生物医学成像设备

USR60-E3驱动的MRE系统可量化肝脏纤维化程度，其无磁干扰特性解决了电磁电机在MRI环境中的兼容性问题。

4. 技术挑战与未来趋势

1. 寿命提升：当前摩擦材料寿命约2000小时，需开发类金刚石（DLC）涂层等耐磨方案。

2. 智能控制：基于深度学习的动态参数自整定可适应变负载工况。

3. 集成化：将驱动电路与电机本体集成，减少寄生振动对精度的影响。

5. 结论

Shinsei USR系列电机通过创新控制算法与跨学科设计，在高精度驱动领域确立了技术优势。未来在太空机械臂、微创手术机器人等新兴领域具有广阔应用前景。