机械手指驱动用超声波电机的设计

发布时间：2020-04-08 23:12

【摘要】：随着时代的发展,对机器人性能的要求越来越高。如何设计小型化,可精确控制的机械手是日前仿人机器人设计的课题中研究的热点问题,为了达到这一设计目标,仿人型机械手指的驱动控制源设计就成了关键。到目前为止,驱动源主要有形状记忆合金、气压和电机等,绝大多数采用了电机驱动。根据已有发现,这几种方式都存在或多或少的缺陷,其中,传统电机驱动位置控制精度不高,无法直接驱动,传动机构复杂。为了改善这些问题,可将电机直接安装在各个关节上,这就需要设计小型化、直接驱动的电机,而超声波电机恰能满足这些要求。超声波电机具有大扭矩、体积小、响应速度快、不受电磁干扰,可实现自锁功能等特性。本文是基于“机械手指驱动用超声电机及其控制器研发”这一校企合作项目进行电机设计的。为满足可放在手指关节处进行直接驱动的要求,在比较研究了管式超声波电机、单相不对称超声波电机、单转子柱体超声波电机等的基础上,选用短柱型双转子超声波电机。研究了短柱型双转子超声波电机的工作原理,用ANSYS有限元软件等对电机定子、转子进行了优化设计,制作组装了实验样机,并搭建了简易测试平台对样机进行了性能测试。短柱型双转子弯曲振动超声波电机定子设计。包括定子上下匹配块及压电陶瓷的设计。定子部分的设计利用有限元仿真软件ANSYS进行模态分析,找到互差90度的一组一阶弯曲振动模态,取这一模态对应频率,该频率与临近两个模态频率差值绝对值中的较小值以及最大振幅作为设计标准,选出最佳尺寸。该电机转子及辅助部件设计。辅助部件主要包括电机支架的设计,轴套和轴的设计,以及电机夹具的设计。对转子和支架的设计主要通过试验得最佳结构;对轴套和轴的设计,要求适应电机其它已设计出部分的尺寸。制作最佳尺寸的样机并根据电机的工作原理,对电机进行装配。此过程中,为了让上下定子匹配块尽可能且施力均匀地将陶瓷片压紧,设计出相应结构的电机夹具。样机制作与性能测试。制作了直径23mm,长度23mm的短柱型双转子超声波发电机样机,搭建了测试平台。测试样机得到电机的最大转速为127r/min,最大堵转转矩为0.02Nm。测试结果表明:本文设计的短柱型双转子弯曲振动超声波电机直径、长度,运动范围完全满足设计指标,最大堵转转矩略小于设计指标,基本上实现了小型化直接用于机械手指驱动的设计要求。
【图文】：

连杆,手指

逦图邋１－９邋ＤＬＲ－ＩＩ邋Ｈａｎｄ逡逑２００１年，，德国卡尔斯鲁厄大学计算机系过程控制与机器人研究所（ＩＰＲ）研制成功了逡逑Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ邋ＩＩ机械手［７］，如图１－８所示。该手有４个手指和１个手掌，每个手指有３个逡逑独立的关节，４个手指采用对称的，呈９０°均布在手掌上。其手指装有六维力矩传感器，逡逑

超声电机

超声波电机无疑是一个很好的尝试方向。逡逑＝曾焌逡逑图１－１７邋ＴＲＵＭ－３０型超声电机逦图１－１８超声电机驱动的五指机械手逡逑１．３柱体超声波电机的研究现状逡逑目前柱体行波型超声波电机的研宄成果多种多样，下面分国外研宄现状和国内研宄现逡逑状做出有选择性的介绍。逡逑１．３．１国外研究现状逡逑１９８０年，日本的指田年生（Ｓａｓｈｉｄａ）在Ｖａｓｉｌｉｅｖ的研宄基础上，提出了一种驻波型逡逑（Ｓｔａｎｄｉｎｇ邋Ｗａｖｅ－ｔｙｐｅ）超声波电机［２１（如图１－１９）。该电机使用了兰杰文（或朗之万）（Ｌａｎｇｅｖｉｎ）逡逑振子，工作频率２７．８ｋＨｚ，输入功率９０Ｗ，输出转矩０．２５Ｎｍ，机械输出功率５０Ｗ。该电逡逑机的性能第一次满足了实际使用要求，但振动片与转子接触是点（线）接触，因摩擦导致逡逑磨损问题。逡逑１９８９年Ｍｉｎｏｍ邋Ｋｕｒｏｓａｗａ研制出了第一台基于兰杰文振子的双转子圆柱弯曲型超声逡逑波电机，如图所示。压电陶瓷用螺栓固定于定子中间，激励定子产生一阶弯曲振动，对称逡逑的双端转子通过摩擦从定子获取输出转矩。电机的空载转速在２００？３００ｒ／ｍｉｎ之间，堵转逡逑为矩为１５０ｍＮ＇ｍ。逡逑
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM359.9

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