基于超磁致伸縮材料的諧波驅(qū)動器結(jié)構(gòu)與磁場優(yōu)化設(shè)計

劉易斯，李俊陽，楊宇通，蒲 偉

(1.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044；2.四川大學 空天科學與工程學院，成都 610065)

隨著機器人應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，機器人關(guān)節(jié)小型化、輕量化、集成化及模塊化已成必然發(fā)展趨勢。現(xiàn)有機器人關(guān)節(jié)是由驅(qū)動電機作為動力源，經(jīng)由波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)帶動柔輪變形與剛輪嚙合傳動，從而實現(xiàn)機械臂單自由度擺動或旋轉(zhuǎn)，空間利用率不高且在低速運行快速響應(yīng)等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展受限[1]。近年來不同形式波發(fā)生器構(gòu)成的諧波傳動構(gòu)想不斷涌現(xiàn)，包括液壓驅(qū)動[2]、壓電驅(qū)動[3]、電磁驅(qū)動[4]及磁致伸縮驅(qū)動[5]等多種形式。其中，基于超磁致伸縮材料具有伸縮系數(shù)大、機電耦合系數(shù)高、響應(yīng)速度快、輸出功率大、易于驅(qū)動等特點[6]，朱林劍等[5]提出利用超磁致伸縮材料制作稀土超磁致伸縮驅(qū)動器(giant magnetostrictive actuator,簡稱GMA)來直接驅(qū)動柔輪變形，經(jīng)諧波傳動輸出的集驅(qū)動、傳動于一體的構(gòu)想備受關(guān)注。

1 GMM棒幾何參數(shù)設(shè)計

諧波減速器由柔輪、剛輪以及波發(fā)生器三大基本構(gòu)件組成。波發(fā)生器為橢圓形零件，尺寸與柔輪存在一定過盈量，其長軸長度比柔輪內(nèi)經(jīng)略長，短軸長度比柔輪內(nèi)徑略短，裝配過后波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)迫使柔輪發(fā)生彈性形變并與剛輪發(fā)生嚙合，從而柔輪旋轉(zhuǎn)輸出形成諧波傳動。諧波驅(qū)動器可用于替代波發(fā)生器直接驅(qū)動柔輪形變并經(jīng)諧波傳動輸出，擴展傳統(tǒng)電機驅(qū)動諧波傳動模式，提高系統(tǒng)空間利用率。

由于諧波減速柔輪內(nèi)部空間狹小且GMM棒線性伸長率有限，無法在柔輪內(nèi)部直接均勻周向布置諧波驅(qū)動器。……