为了研究微型机器人关节在非稳定工作状态下的机电耦合作用机理,考虑误差以及齿轮啮合时变刚度,采用集中参数法,建立了电机拖动二级串联行星齿轮传动系统的机电耦合模型,计算求解得到了系统的固有频率以及质量参数对系统固有频率的影响、模态能的分布规律,分析了在冲击载荷下齿轮系统的扭振特性。结果表明,零件质量增加将使系统固有频率降低;系统模态能主要表现为低阶扭转振动应变能和高阶动能;在冲击过程中,系统表现为1阶固有频率与1倍啮合频率主导的振动模式。

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。