机器人关节制动器的设计及其试验研究

论文摘要

作为人类探索太空有效的工具,机器人技术近年来得到了迅速的发展。同时,保证设备及宇航员安全的安全系统也相应得到了完善。真空中制动力矩稳定、可靠性高、重量轻、功耗低的制动器是使用在空间的机器人安全系统中重要的一环。本文以一种新的双面制动方式为基础,设计了可以应用于常态及空间中的机器人关节的制动器。在保证其制动性能的前提下,进行了结构的改进,减轻了重量,满足了设计及性能的各项要求。本文首先综述制动器常用的制动方式及国内外机器人制动器的研究现状,总结机器人制动器材料应具备的基本性能,确定失电制动器为机器人关节制动器的发展趋势。其次,在机器人性能指标的基础上明确了制动器的设计及性能指标。提出了一种新的双面制动方式,提高了在相同制动力下的制动力矩。根据常态及空间两个方面的使用环境,选择了制动器结构及制动副的材料。设计了满足性能要求及安装要求的制动器结构。利用ANSYS对制动器结构进行了力学分析,验证了其结构的合理性。基于结构分析结果,在保证制动器性能的前提下,对制动器结构进行了改进设计,减轻了制动器的质量,降低了发射成本。根据能量守恒原理制定了制动器测试原理。设计制造了制动器测试机械平台,设计中充分考虑到了影响测量的因素,通过特殊设计从根本上保证了测试的精度。利用实验室现有的电气设备搭建了制动器测试的电气平台。通过PCI卡与PC机组成了完整的制动器制动性能测试系统,为制动器性能测试试验提供了硬件平台。最后,利用测试平台对制动器进行了真空高低温制动试验、常态制动试验及常压热循环试验。验证了制动器在真空中的性能满足使用要求,得到了制动器在真空中与常态下的跑合周期并找到了引起制动器制动力矩变化的原因,为制动器制动副材料的改进提供了根据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 机器人关节制动器研究现状和分析
• 1.3 课题来源及研究的目的和意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 机器人关节制动器的设计
• 2.1 引言
• 2.2 制动器工作环境及设计指标
• 2.2.1 制动器的工作环境
• 2.2.2 制动器设计指标的制定
• 2.3 制动器的设计
• 2.3.1 制动方式的设计
• 2.3.2 制动器材料的选择
• 2.3.3 制动器结构设计
• 2.3.4 电磁线圈
• 2.3.5 制动器性能及比较
• 2.4 制动器结构力学性能分析
• 2.4.1 制动盘力学性能分析
• 2.4.2 制动器外壳力学性能分析
• 2.5 制动器结构改进设计
• 2.5.1 制动器制动盘结构改进
• 2.5.2 制动器外壳结构改进
• 2.5.3 结构改进结果分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 机器人关节制动器测试平台的设计
• 3.1 引言
• 3.2 测试原理设计
• 3.3 测试平台机械部分设计
• 3.4 测试平台电气部分及控制软件
• 3.5 本章小结
• 第4章 制动力矩测试试验及结果分析
• 4.1 引言
• 4.2 试验测试及数据处理原理
• 4.3 制动器力矩测试试验及分析
• 4.3.1 真空条件下制动器高低温制动试验
• 4.3.2 常态下制动器性能测试试验
• 4.3.3 常压下制动器热循环测试试验
• 4.3.4 试验结论
• 4.4 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