针对MRI应用的高精度驱动需求，设计了一种非铁磁旋转式压电电机，并对其产生的强磁场进行了评估

《Sensors and Actuators A: Physical》：Design and Strong Magnetic Field Evaluation of a Non-Ferromagnetic Rotary Piezoelectric Motor for MRI-Oriented Precision Actuation

　　• 为磁共振成像（MRI）导向的驱动开发了一种非铁磁性的旋转压电电机。• 耦合的平面内弯曲模式实现了紧凑型、双向的行波驱动。• 该电机达到了157转/分钟的速度，27.8毫牛顿·米的扭矩，以及0.015度的分辨步进。• 在高达1.5特斯拉的静态磁场中，速度变化小于2.6%，并且在负载和步进性能方面保持稳定。引言磁共振成像（MRI）提供了无电离辐射的成像方式、出色的软组织对比度、任意平面的可视化以及功能或热信息，使其成为图像引导诊断和干预的重要手段[1]。这些能力促使了用于活检、消融、导管插入、立体定向神经外科手术和其他微创程序的MRI引导机器人系统的开发[2]。与传统手术机器人不同，MRI引导的机器人系统必须在受限的扫描仪环境中实现准确可靠的运动，同时还要承受强磁场、快速切换的梯度场和射频激励。因此，它们的机械设计必须同时适应有限的安装空间，保持定位精度，并将图像质量的不利影响降到最低[3][4]。驱动是MRI引导机器人设计中的一个主要限制因素。传统的电磁电机包含磁铁、铁磁部件和载流绕组，因此可能会经历磁吸引力、扭矩、加热、涡流阻尼和电磁干扰[5]。这些效应可能会影响执行器的稳定性，并对材料选择、安装位置和MRI环境中的电磁屏蔽提出严格的要求。为了解决MRI兼容性问题，Gunderman等人对一个通过长气动传输线连接的MR安全型径向流入电机进行了建模和控制。在4.5公斤的负载下，该系统实现了0.39 ± 0.18毫米的平均轨迹跟踪误差，而在7特斯拉MRI扫描仪中的运行产生的信噪比变化小于1%[6]。Dong等人开发了一种高性能的连续液压电机，用于MR安全的机器人远程操作，提供了另一种无需将传统电磁电机放置在成像区域附近的运动传输方式[7]。也研究了静电、MRI驱动和特别设计的电磁执行器，尽管它们的性能和实际应用性仍然严重依赖于输出能力、控制复杂性、热行为和系统集成[8]。因此，在保持适合强静态磁场环境的同时实现紧凑、快速和精确的驱动仍然是MRI引导机器人系统的关键挑战。压电驱动对于MRI导向的机器人非常有吸引力，因为驱动力来自逆压电效应而不是电磁扭矩的产生[9]。压电电机具有紧凑的结构、快速的机电响应、高定位精度、低速稳定性和通过摩擦接触实现的被动保持力[10]。这些特性对于MRI引导的机器人系统特别有利，因为在这些系统中，可用的安装空间有限，并且需要在成像区域附近实现精确、响应迅速的运动。此外，由于没有永磁体和传统的电磁绕组，减少了驱动机制对外部静态磁场的依赖性。对于MRI引导的前列腺干预，Lafreniere等人开发了一种7自由度的MRI条件压电驱动机器人，实现了曲线经会阴活检，其自由空间轨迹的均方根误差为0.86毫米[11]。Su等人开发了一种全驱动的6自由度压电机器人和定制的电机控制器，用于3特斯拉扫描仪中的连续成像前列腺治疗；模拟实验表明，针头放置的均方根误差为0.87毫米，而MRI信噪比损失限制在15%以内[12]。对于MRI引导的神经外科穿刺，Li等人提出了一种2自由度的异步压电执行器，集成了针头进给和旋转功能。采用了双足驱动策略来提高速度和负载能力，并引入了弯曲铰链以抑制后退运动[13]。随后，他们使用非磁性材料和超声压电执行器开发了一种可变远端运动中心的脑穿刺机器人，校准后的执行器绝对定位误差为2.16毫米，远端运动中心偏差为0.57毫米[14]。对于其他微创程序，Su等人开发了一种用于MRI引导闭环定位的压电驱动同心管连续体机器人，报告了自由空间均方根定位误差为1.94毫米[15]。Wang等人设计了一种由压电电机驱动的MR条件机器人模块，用于自动操控心脏消融导管和引导鞘，实现了平均路径跟随端点误差低于2毫米[16]。这些研究证明了将压电驱动集成到MRI引导机器人平台中的可行性，并为进一步开发紧凑型旋转执行器以传输精确运动奠定了基础。然而，在MRI系统中使用压电电机并不一定意味着完全的MRI兼容性。为了澄清这些潜在的兼容性风险，Shokrollahi等人系统地研究了超声电机运行对MRI信噪比和几何变形的影响[17][18]。他们的后续伪影研究表明，电机的方向和操作状态影响了信号空洞、堆积、拉链效应和运动伪影，当电机轴与扫描仪孔轴对齐时，伪影通常最小[19]。此外，虽然非铁磁材料大大减少了磁吸引力和磁化风险，但在强静态磁场下的机械行为和由此产生的执行器性能仍需仔细评估[20]。对于共振压电电机，定子振动响应的变化、摩擦接触条件或转子传动行为可能会直接影响输出速度、负载能力和定位性能[21][22]。现有的关于压电电机的研究主要集中在结构设计[23][24]、模态匹配[25][26]、接触摩擦[27][28]和材料优化[29][30]上，从而开发了各种旋转配置。然而，这些研究主要关注在常规操作条件下的电机性能，而在强静态磁场下紧凑型旋转压电电机的系统实验数据仍然有限，特别是在旋转速度、负载能力和步进性能方面。为了研究在强静态磁场下紧凑型旋转压电电机的机械性能，提出了一种用于MRI导向精确驱动的非铁磁性金属旋转压电电机。本研究评估了其在高达1.5特斯拉的施加静态磁场下的机械输出；未评估其在MRI扫描过程中的操作和对图像质量的影响。该电机采用7075-T6铝合金制成的空心多边形定子，八个粘合的锆钛酸盐（PZT）陶瓷板作为机电激励单元。采用了分体陶瓷转子、陶瓷轴承和可调轴向预加载机制，以确保稳定的机械传动，同时避免使用铁磁组件。电机耦合了两种频率匹配的平面内弯曲模式，在驱动齿处产生椭圆形轨迹，从而产生摩擦驱动的旋转运动。该电机在机械传动系统中既不需要电磁绕组也不需要铁磁组件。这些特性使得所提出的电机成为MRI导向精确驱动的有希望的候选者，如图1所示。本工作的主要贡献如下：(i) 建立了一个运动学模型，描述了驱动点轨迹的形成和反转；(ii) 进行了有限元参数研究，以指导定子几何形状的选择并评估模态匹配和谐波响应；(iii) 实验性表征了制造原型的振动特性和机械输出，包括频率、相位、预加载、负载能力、瞬态响应和步进性能；(iv) 在0、500、1000和1500毫特斯拉的静态磁通密度下系统地评估了电机的机械输出稳定性，包括速度、负载和突发驱动步进特性。这些研究提供了电机在测试的静态磁场下的机械性能的证据，并为其进一步评估MRI导向的精确机器人驱动提供了基础。结构设计提出了一种用于强磁场中精确驱动的非铁磁性金属旋转压电电机，如图2所示。该电机主要由空心定子、外壳、底座、分体陶瓷转子、陶瓷限位轴承和轴向预加载机制组成。分体转子包括一个定位转子和一个输出轴转子，它们通过中心连接结构同轴连接，以确保同步旋转。为了进行有限元分析，对定子的目标振动模式进行了表征，并研究了其主要几何参数的影响。图6所示的模型由7075-T6铝合金定子基板、八个表面粘合的PZT-8板和内表面均匀分布的驱动齿组成。选择了定子侧长D、内开口尺寸R、轴向长度L、齿数N、槽深h和齿宽b作为主要参数。基于选定的几何尺寸制造了一个定子原型。在组装过程中，八个压电陶瓷板分四个步骤粘合到定子上。使用聚四氟乙烯制成的定位夹具和力传感器来控制压电板的定位和粘合压力，从而最小化组装偏差并提高粘合PZT板的一致性。基于制造的原型，进行了振动特性研究。利用图14所示的装置评估了电机在电磁铁产生的静态磁场下的机械输出。该磁场系统的最大额定磁通密度约为2特斯拉，极隙可调范围为30–140毫米。极隙设置为约100毫米，以适应电机及其夹具。电机固定在间隙的几何中心附近，其输出轴与主磁场方向平行。结论开发了一种用于MRI导向精确驱动的非铁磁性金属旋转压电电机。该电机采用空心多边形7075-T6铝合金定子、八个粘合的PZT板和分体转子配置，实现了不依赖电磁扭矩的紧凑型旋转驱动。操作机制基于两个空间正交的平面内弯曲振动模式的耦合而建立。理论分析阐明了...作者贡献声明Haoren Feng：撰写 – 审核与编辑、验证、资源管理、概念化。Liang Wang：撰写 – 审核与编辑、资源管理、资金获取、形式分析、概念化。Biao Liu：撰写 – 原始草案、可视化、软件开发、调查、数据管理。Rui Wang：监督、软件开发、调查、形式分析。Xiaoqiang Wei：可视化、调查、数据管理。利益冲突声明作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。致谢本工作得到了国防工业技术发展计划（项目编号JCKY2024605C003）、国家自然科学基金（项目编号52275022）、江苏省自然科学基金（项目编号BK20251371）、中央高校基本科研业务费（项目编号NC2024001）、国防特色学科基础研究项目费（项目编号1001-ILF26038）以及研究生研究与实践创新的支持。Biao Liu于2023年在南京航空航天大学获得机械工程学士学位，目前正在该校攻读机械工程硕士学位，研究重点是压电电机。