机器人关节作为机器人的核心部件,主要由驱控系统和多级齿轮传动系统组成,在高转速、高负载下的齿轮传动系统动力学特性更加复杂。以机器人关节中齿轮传动系统为研究对象,采用集中参数法建立了其平移-扭转耦合动力学模型,根据牛顿第二定律建立了各构件动力学方程;分析了该系统的固有频率、模态应变能和模态动能,并研究了系统参数对固有频率的影响。结果表明,对于系统的模态能,在第15阶固有频率下的总应变能最大,此时系统整体变形最大;第24阶固有频率下的总动能最大,系统在该固有频率下的振动最为剧烈;系统参数对固有频率的影响主要体现为高阶固有频率受影响较为明显;受系统刚度变化的影响,部分固有频率轨迹曲线逐渐接近后在某点附近会以较大的曲率快速分离,出现模态跃迁现象,在遇到频率相近时,会再次跃迁。

目前,机器人关节伺服器向着微型化、集成化发展,针对智能机器人操作精度要求高,对机器人关节伺服器典型的电机拖动齿轮机电耦合系统,进行不同工况下的动态特性研究十分有必要。为此,根据多级齿轮系统时变啮合特性及无刷电机动态特性,建立了多级齿轮系统动力学模型和无刷电机动态模型,搭建了机器人关节伺服器传动系统机电耦合动力学模型;分析了该系统的自由扭振特性和系统模态能,并进一步研究了在稳态工况和冲击载荷工况下机器人关节伺服器传动系统的动态响应特性。结果表明,多级齿轮系统和电机之间存在机电耦合效应,在该系统遭受冲击后,齿轮副啮合力以及齿轮扭振波动变得剧烈后趋于稳定。

针对传统的高刚性机器人已无法满足人机交互安全性和复杂环境自适应性的不足之处,利用磁流变液的磁流变效应,提出并设计了一种新型的用于机器人关节的变刚度柔性驱动器。详述了柔性关节驱动原理,设计了驱动器的结构并进行力学分析,同时利用磁场仿真软件Maxwell进行驱动器的磁场分析。最后对驱动器性能进行仿真分析和实验验证,对比分析结果表明该驱动器具有结构简单、易于控制、更宽的主动变刚度调节范围的特点,并且能够吸收振动或者冲击带来的能量,提高了机器人的关节输出能力。

对国内外一体化机器人关节及协作机器人进行研究,概述国内外相关技术的发展现状,研制集高负质比减速机、力矩电机、力矩传感器、双编码器和智能驱动器于一体的多系列机器人关节,并开展了负载和精度测试实验,得出了多型号关节性能参数,以及基于驱动器电流和力矩传感器的关节负载特性。对机器人关节核心零部件进行分析,提出一体化关节的设计方法以及零部件设计选型经验。基于研制的一体化关节搭建了六轴和七轴机器人,实现机器人各关节分布式控制,为机器人的模块化和重构性问题提供了一种解决方法。