【摘要】：隨著時代的發(fā)展,對機器人性能的要求越來越高。如何設(shè)計小型化,可精確控制的機械手是日前仿人機器人設(shè)計的課題中研究的熱點問題,為了達到這一設(shè)計目標(biāo),仿人型機械手指的驅(qū)動控制源設(shè)計就成了關(guān)鍵。到目前為止,驅(qū)動源主要有形狀記憶合金、氣壓和電機等,絕大多數(shù)采用了電機驅(qū)動。根據(jù)已有發(fā)現(xiàn),這幾種方式都存在或多或少的缺陷,其中,傳統(tǒng)電機驅(qū)動位置控制精度不高,無法直接驅(qū)動,傳動機構(gòu)復(fù)雜。為了改善這些問題,可將電機直接安裝在各個關(guān)節(jié)上,這就需要設(shè)計小型化、直接驅(qū)動的電機,而超聲波電機恰能滿足這些要求。超聲波電機具有大扭矩、體積小、響應(yīng)速度快、不受電磁干擾,可實現(xiàn)自鎖功能等特性。本文是基于“機械手指驅(qū)動用超聲電機及其控制器研發(fā)”這一校企合作項目進行電機設(shè)計的。為滿足可放在手指關(guān)節(jié)處進行直接驅(qū)動的要求,在比較研究了管式超聲波電機、單相不對稱超聲波電機、單轉(zhuǎn)子柱體超聲波電機等的基礎(chǔ)上,選用短柱型雙轉(zhuǎn)子超聲波電機。研究了短柱型雙轉(zhuǎn)子超聲波電機的工作原理,用ANSYS有限元軟件等對電機定子、轉(zhuǎn)子進行了優(yōu)化設(shè)計,制作組裝了實驗樣機,并搭建了簡易測試平臺對樣機進行了性能測試。短柱型雙轉(zhuǎn)子彎曲振動超聲波電機定子設(shè)計。包括定子上下匹配塊及壓電陶瓷的設(shè)計。定子部分的設(shè)計利用有限元仿真軟件ANSYS進行模態(tài)分析,找到互差90度的一組一階彎曲振動模態(tài),取這一模態(tài)對應(yīng)頻率,該頻率與臨近兩個模態(tài)頻率差值絕對值中的較小值以及最大振幅作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),選出最佳尺寸。該電機轉(zhuǎn)子及輔助部件設(shè)計。輔助部件主要包括電機支架的設(shè)計,軸套和軸的設(shè)計,以及電機夾具的設(shè)計。對轉(zhuǎn)子和支架的設(shè)計主要通過試驗得最佳結(jié)構(gòu);對軸套和軸的設(shè)計,要求適應(yīng)電機其它已設(shè)計出部分的尺寸。制作最佳尺寸的樣機并根據(jù)電機的工作原理,對電機進行裝配。此過程中,為了讓上下定子匹配塊盡可能且施力均勻地將陶瓷片壓緊,設(shè)計出相應(yīng)結(jié)構(gòu)的電機夾具。樣機制作與性能測試。制作了直徑23mm,長度23mm的短柱型雙轉(zhuǎn)子超聲波發(fā)電機樣機,搭建了測試平臺。測試樣機得到電機的最大轉(zhuǎn)速為127r/min,最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為0.02Nm。測試結(jié)果表明:本文設(shè)計的短柱型雙轉(zhuǎn)子彎曲振動超聲波電機直徑、長度,運動范圍完全滿足設(shè)計指標(biāo),最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩略小于設(shè)計指標(biāo),基本上實現(xiàn)了小型化直接用于機械手指驅(qū)動的設(shè)計要求。
【圖文】：

邐圖邋１－９邋ＤＬＲ－ＩＩ邋Ｈａｎｄ逡逑２００１年，，德國卡爾斯魯厄大學(xué)計算機系過程控制與機器人研究所（ＩＰＲ）研制成功了逡逑Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ邋ＩＩ機械手［７］，如圖１－８所示。該手有４個手指和１個手掌，每個手指有３個逡逑獨立的關(guān)節(jié)，４個手指采用對稱的，呈９０°均布在手掌上。其手指裝有六維力矩傳感器，逡逑

超聲波電機無疑是一個很好的嘗試方向。逡逑＝曾焌逡逑圖１－１７邋ＴＲＵＭ－３０型超聲電機邐圖１－１８超聲電機驅(qū)動的五指機械手逡逑１．３柱體超聲波電機的研究現(xiàn)狀逡逑目前柱體行波型超聲波電機的研宄成果多種多樣，下面分國外研宄現(xiàn)狀和國內(nèi)研宄現(xiàn)逡逑狀做出有選擇性的介紹。逡逑１．３．１國外研究現(xiàn)狀逡逑１９８０年，日本的指田年生（Ｓａｓｈｉｄａ）在Ｖａｓｉｌｉｅｖ的研宄基礎(chǔ)上，提出了一種駐波型逡逑（Ｓｔａｎｄｉｎｇ邋Ｗａｖｅ－ｔｙｐｅ）超聲波電機［２１（如圖１－１９）。該電機使用了蘭杰文（或朗之萬）（Ｌａｎｇｅｖｉｎ）逡逑振子，工作頻率２７．８ｋＨｚ，輸入功率９０Ｗ，輸出轉(zhuǎn)矩０．２５Ｎｍ，機械輸出功率５０Ｗ。該電逡逑機的性能第一次滿足了實際使用要求，但振動片與轉(zhuǎn)子接觸是點（線）接觸，因摩擦導(dǎo)致逡逑磨損問題。逡逑１９８９年Ｍｉｎｏｍ邋Ｋｕｒｏｓａｗａ研制出了第一臺基于蘭杰文振子的雙轉(zhuǎn)子圓柱彎曲型超聲逡逑波電機，如圖所示。壓電陶瓷用螺栓固定于定子中間，激勵定子產(chǎn)生一階彎曲振動，對稱逡逑的雙端轉(zhuǎn)子通過摩擦從定子獲取輸出轉(zhuǎn)矩。電機的空載轉(zhuǎn)速在２００？３００ｒ／ｍｉｎ之間，堵轉(zhuǎn)逡逑為矩為１５０ｍＮ＇ｍ。逡逑
【學(xué)位授予單位】：揚州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM359.9

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本文編號：2619947