【摘 要】
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伴随着智能制造的发展和社会产业不断调整升级,在医疗、服务、娱乐等非工业领域智能机器人不断涌入,机器人模块化关节紧凑性、轻量化设计对智能机器人行业的发展具有重要意义。现有机器人关节大多是由驱动电机作为动力源,经由谐波减速器波发生器旋转带动柔轮变形与刚轮啮合传动,从而实现机械臂单自由度摆动或旋转,空间利用率不高且在低速运行快速响应等应用领域发展受限。为扩展传统机器人驱动传动模式,提高机器人模块化关节的
【基金项目】
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国家重点研发计划,项目名称:机器人新型高可靠精密减速器,项目编号:No.2018YFB1304800;
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伴随着智能制造的发展和社会产业不断调整升级,在医疗、服务、娱乐等非工业领域智能机器人不断涌入,机器人模块化关节紧凑性、轻量化设计对智能机器人行业的发展具有重要意义。现有机器人关节大多是由驱动电机作为动力源,经由谐波减速器波发生器旋转带动柔轮变形与刚轮啮合传动,从而实现机械臂单自由度摆动或旋转,空间利用率不高且在低速运行快速响应等应用领域发展受限。为扩展传统机器人驱动传动模式,提高机器人模块化关节的结构紧凑性,引入智能材料对机器人模块化关节驱动器进行改进设计,由此形成一种集驱动、传动为一体的新型机器人模块化关节驱动器。本文基于谐波传动原理,在谐波减速器结构基础上设计了一种能直接驱动柔轮形变与刚轮啮合输出减速运动的超磁致伸缩谐波驱动器,该研究结果可为智能机器人模块化关节设计提供理论依据。本文的主要研究内容如下:(1)介绍了谐波传动原理,结合驱动器设计要求,对谐波减速器三大基本构件进行了结构参数设计;分析对比了多种谐波齿轮齿形,基于齿轮啮合原理,对谐波减速器柔轮与刚轮公切线双圆弧开展了设计研究;根据壳体理论与小变形假定,完成了柔轮中性层变形函数以及波发生器等效正应力的计算模型推导;为给谐波驱动器提供设计依据,运用有限元分析软件对谐波减速器进行了仿真分析,确定了柔轮径向变形量以及波发生器正应力分布情况。(2)阐述了谐波驱动器的设计理念,结合柔轮形变特性,设计了驱动器的布置方案,计算了不同相位驱动器的位移系数;为实现更大区间的位移输出,设计了柔性膜片与金属波纹管相结合的液压微位移放大机构,基于Kirchhoff–Love板壳理论和有限元法求解了放大机构的机构参数与理论放大倍数;根据位移输出要求和压杆结构稳定性条件,联合材料预压特性,完成了磁致伸缩棒结构尺寸以及预压碟簧的设计;基于安培环路定律,建立了线圈轴心磁场计算模型,优化了线圈长径比、能量损耗参数取值,分析了多参数影响下感应磁场强度的分布规律。(3)分析了磁致伸缩材料倍频效应的产生机理,确立了永磁体圆片与分段磁致伸缩棒相结合的偏置磁场设计方案;简化了磁路结构,建立了等效磁路中磁致伸缩棒单位横截面磁通量计算模型,联合Navier方程以及Maxwell方程组,完善了驱动线圈任一点矢量磁位与磁场强度计算模型;建立了驱动器电磁分析有限元模型,分析了偏置永磁圆片不同结构参数对磁场分布的影响,为确定合理的谐波驱动器驱动磁场与偏置磁场参数提供参考依据。(4)研究了磁致伸缩材料变分能量理论,结合其内部磁畴密度函数,分析了吉布斯自由能量密度函数微分形式的物理意义;利用函数逼近法,求解了磁致伸缩材料非线性伸缩应变函数,建立了谐波驱动器位移输出理论计算模型;引入了磁机耦合模块,建立了谐波驱动器电-磁-机多物理场耦合模型;根据分析软件参数化扫描方法,分析了偏置永磁圆片不同结构参数对谐波驱动器位移输出以及力学特性变化的影响规律,最终确立了驱动线圈以及偏置磁场的设计参数。
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