仿人机器人用1/4比例柔轮谐波传动啮合理论与分析

论文摘要

由于仿人机器人中安装空间的限制,普通长筒柔轮谐波传动难以满足使用要求,短筒柔轮谐波传动装置结构紧凑、尺寸小,受到越来越多研究者青睐。目前只有少数国家掌握短筒柔轮设计和制造技术,国内在这方面的研究起步较晚,还有诸多问题需要深入。本文通过对短筒柔轮啮合理论和样机结构等方面开展研究,为短筒柔轮齿形和结构设计提供参考。首先,基于特征曲线原理推导了谐波传动柔轮轮齿运动学,并使用包络理论推导了共轭刚轮齿廓的求解方法,在此基础上针对短筒柔轮谐波传动中柔轮锥角变形大的问题计算出了适合短筒柔轮使用的分段共轭的理论刚轮齿廓。其次,针对柔轮轴向长度变短时应力急剧增加的问题,通过有限元的分析,得到了柔轮应力随着结构参数改变的影响规律。改进了柔轮结构,减小了应力,为短筒柔轮结构设计提供了借鉴和参考。然后,提出了基于啮合齿面接触对的谐波传动装置有限元仿真模型,计算了在负载作用下柔轮应力和变形情况,并导出了齿面接触应力,验证了分段共轭刚轮齿廓啮合的合理性。最后,根据前面对齿形和结构参数的分析结果,设计了50机型1/4比例短筒柔轮谐波传动三元件结构。同时设计了短筒柔轮谐波减速器机体结构和初步加载试验装置,为进一步样机试验奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 国内外发展现状综述
• 1.2.1 谐波传动发展及研究现状
• 1.2.2 短筒柔轮谐波传动研究现状
• 1.3 本课题主要研究的内容
• 第2章 短筒柔轮轮齿啮合理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 共轭齿廓的求解
• 2.2.1 谐波传动基本原理
• 2.2.2 谐波传动运动模型的简化
• 2.2.3 柔轮轮齿运动学分析
• 2.2.4 与柔轮共轭的刚轮齿廓求解
• 2.3 短筒柔轮啮合理论分析
• 2.4 啮合侧隙的计算
• 2.5 本章小结
• 第3章 短筒柔轮的结构设计与有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 谐波传动有限元模型的建立
• 3.3 柔轮有限元分析与结构改进
• 3.3.1 柔轮有限元分析结果
• 3.3.2 柔轮结构参数对应力的影响
• 3.4 改进后柔轮结构的有限元分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于齿面接触的谐波传动有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 模型的建立
• 4.2.1 建模思想概述
• 4.2.2 3D模型建立与有限元网格划分
• 4.2.3 创建接触对
• 4.2.4 施加约束与载荷
• 4.3 有限元计算结果分析
• 4.4 不同建模方法的对比
• 4.5 本章小结
• 第5章 谐波减速器的样机及加载装置设计
• 5.1 引言
• 5.2 柔轮结构设计
• 5.3 刚轮和波发生器结构设计
• 5.3.1 刚轮结构设计
• 5.3.2 波发生器结构设计
• 5.4 整机结构设计
• 5.5 跑合及加载试验装置设计
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢