【摘要】：隨著時(shí)代的發(fā)展,對(duì)機(jī)器人性能的要求越來(lái)越高。如何設(shè)計(jì)小型化,可精確控制的機(jī)械手是日前仿人機(jī)器人設(shè)計(jì)的課題中研究的熱點(diǎn)問(wèn)題,為了達(dá)到這一設(shè)計(jì)目標(biāo),仿人型機(jī)械手指的驅(qū)動(dòng)控制源設(shè)計(jì)就成了關(guān)鍵。到目前為止,驅(qū)動(dòng)源主要有形狀記憶合金、氣壓和電機(jī)等,絕大多數(shù)采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(jī)驅(qū)動(dòng)位置控制精度不高,無(wú)法直接驅(qū)動(dòng),傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜。為了改善這些問(wèn)題,可將電機(jī)直接安裝在各個(gè)關(guān)節(jié)上,這就需要設(shè)計(jì)小型化、直接驅(qū)動(dòng)的電機(jī),而超聲波電機(jī)恰能滿足這些要求。超聲波電機(jī)具有大扭矩、體積小、響應(yīng)速度快、不受電磁干擾,可實(shí)現(xiàn)自鎖功能等特性。本文是基于“機(jī)械手指驅(qū)動(dòng)用超聲電機(jī)及其控制器研發(fā)”這一校企合作項(xiàng)目進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)的。為滿足可放在手指關(guān)節(jié)處進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)的要求,在比較研究了管式超聲波電機(jī)、單相不對(duì)稱超聲波電機(jī)、單轉(zhuǎn)子柱體超聲波電機(jī)等的基礎(chǔ)上,選用短柱型雙轉(zhuǎn)子超聲波電機(jī)。研究了短柱型雙轉(zhuǎn)子超聲波電機(jī)的工作原理,用ANSYS有限元軟件等對(duì)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),制作組裝了實(shí)驗(yàn)樣機(jī),并搭建了簡(jiǎn)易測(cè)試平臺(tái)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了性能測(cè)試。短柱型雙轉(zhuǎn)子彎曲振動(dòng)超聲波電機(jī)定子設(shè)計(jì)。包括定子上下匹配塊及壓電陶瓷的設(shè)計(jì)。定子部分的設(shè)計(jì)利用有限元仿真軟件ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析,找到互差90度的一組一階彎曲振動(dòng)模態(tài),取這一模態(tài)對(duì)應(yīng)頻率,該頻率與臨近兩個(gè)模態(tài)頻率差值絕對(duì)值中的較小值以及最大振幅作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),選出最佳尺寸。該電機(jī)轉(zhuǎn)子及輔助部件設(shè)計(jì)。輔助部件主要包括電機(jī)支架的設(shè)計(jì),軸套和軸的設(shè)計(jì),以及電機(jī)夾具的設(shè)計(jì)。對(duì)轉(zhuǎn)子和支架的設(shè)計(jì)主要通過(guò)試驗(yàn)得最佳結(jié)構(gòu);對(duì)軸套和軸的設(shè)計(jì),要求適應(yīng)電機(jī)其它已設(shè)計(jì)出部分的尺寸。制作最佳尺寸的樣機(jī)并根據(jù)電機(jī)的工作原理,對(duì)電機(jī)進(jìn)行裝配。此過(guò)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(jì)出相應(yīng)結(jié)構(gòu)的電機(jī)夾具。樣機(jī)制作與性能測(cè)試。制作了直徑23mm,長(zhǎng)度23mm的短柱型雙轉(zhuǎn)子超聲波發(fā)電機(jī)樣機(jī),搭建了測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試樣機(jī)得到電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為127r/min,最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為0.02Nm。測(cè)試結(jié)果表明:本文設(shè)計(jì)的短柱型雙轉(zhuǎn)子彎曲振動(dòng)超聲波電機(jī)直徑、長(zhǎng)度,運(yùn)動(dòng)范圍完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo),最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩略小于設(shè)計(jì)指標(biāo),基本上實(shí)現(xiàn)了小型化直接用于機(jī)械手指驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)要求。
【圖文】：

邐圖邋１－９邋ＤＬＲ－ＩＩ邋Ｈａｎｄ逡逑２００１年，，德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)計(jì)算機(jī)系過(guò)程控制與機(jī)器人研究所（ＩＰＲ）研制成功了逡逑Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ邋ＩＩ機(jī)械手［７］，如圖１－８所示。該手有４個(gè)手指和１個(gè)手掌，每個(gè)手指有３個(gè)逡逑獨(dú)立的關(guān)節(jié)，４個(gè)手指采用對(duì)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(jī)無(wú)疑是一個(gè)很好的嘗試方向。逡逑＝曾焌逡逑圖１－１７邋ＴＲＵＭ－３０型超聲電機(jī)邐圖１－１８超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的五指機(jī)械手逡逑１．３柱體超聲波電機(jī)的研究現(xiàn)狀逡逑目前柱體行波型超聲波電機(jī)的研宄成果多種多樣，下面分國(guó)外研宄現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)研宄現(xiàn)逡逑狀做出有選擇性的介紹。逡逑１．３．１國(guó)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(jī)［２１（如圖１－１９）。該電機(jī)使用了蘭杰文（或朗之萬(wàn)）（Ｌａｎｇｅｖｉｎ）逡逑振子，工作頻率２７．８ｋＨｚ，輸入功率９０Ｗ，輸出轉(zhuǎn)矩０．２５Ｎｍ，機(jī)械輸出功率５０Ｗ。該電逡逑機(jī)的性能第一次滿足了實(shí)際使用要求，但振動(dòng)片與轉(zhuǎn)子接觸是點(diǎn)（線）接觸，因摩擦導(dǎo)致逡逑磨損問(wèn)題。逡逑１９８９年Ｍｉｎｏｍ邋Ｋｕｒｏｓａｗａ研制出了第一臺(tái)基于蘭杰文振子的雙轉(zhuǎn)子圓柱彎曲型超聲逡逑波電機(jī)，如圖所示。壓電陶瓷用螺栓固定于定子中間，激勵(lì)定子產(chǎn)生一階彎曲振動(dòng)，對(duì)稱逡逑的雙端轉(zhuǎn)子通過(guò)摩擦從定子獲取輸出轉(zhuǎn)矩。電機(jī)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(yáng)州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM359.9

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本文編號(hào)：2619947