三足弯振复合型旋转压电驱动器的研究

摘要

在设计仿人机器人的电机伺服系统时，对系统的电源供电方式、功率密度、可靠性、动态性能等都有很高的要求。目前常用的伺服系统多数以电磁电机作为关节驱动器，对于大转矩、小质量和低转速等性能要求之间的矛盾性，电磁电机很难达到理想的要求。压电驱动器作为一种在致动原理和结构上有突破性进展的新型驱动元件，为机器人关节驱动器的选择上提供了更好的方案。减轻机器人质量、简化结构、提高响应速度等优点使压电驱动器受到广大学者的青睐。经过三十多年的研究，压电驱动技术得到了长足的发展。基于压电元件逆压电效应，压电驱动器将电能转换为机械能以激发出所预期的振动模态及相应的运动轨迹，进而通过摩擦耦合实现动子的致动。如今，压电驱动器已经根据其结构和机理上的区别分为多种类别。足式压电驱动器由于出力大、速度快的特点成为机器人关节驱动系统很好的选择，并展现出了直接驱动方面的优势。
　　本文首先对压电驱动器的单个弯振压电振子进行结构设计。在建立有限元模型后，进行了模态分析和谐响应分析，经仿真得到了结构尺寸参数与驱动器的共振频率和机电耦合效率之间的关系，并通过得到的数据进行结构的尺寸优化。然后，通过瞬态分析以获得振子驱动足的运动轨迹，验证了压电驱动器工作原理的可行性。根据以上分析结果，设计了驱动器整体结构并研制了样机实验过程中，首先测试各弯振压电振子的阻抗特性，得到各振子相应的阻抗特性曲线和等效电路的电学参数，由阻抗特性曲线获得弯振压电振子的谐振频率，计算电学参数对压电驱动器进行了阻抗匹配设计。然后用激光测振仪对压电振子进行了振动特性测试，由此得到了振子的谐振频率和相应振型。测试了旋转压电驱动器的机械输出特性，得到压电驱动器的最大空载转速为53.3rpm，最大负载转矩为0.027N?m。测试了单个振子的机械特性和温度-时间特性，其最大输出力可达29.3N，所驱动的导轨的最大线速度可达159.6mm/s，振子各部位温度在接入驱动信号后从26.7-27.1℃升高至32.3-36.3℃。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 足式压电驱动器的国内外研究现状及分析

1.3 主要研究内容

第2章 三足弯振复合型旋转压电驱动器的结构与工作原理

2.1 引言

2.2 压电驱动器设计

2.3 驱动器材料选择

2.4三足弯振复合型压电驱动器驱动原理分析

2.5 压电振子的电学特性

2.6 本章小结

第3章 三足弯振复合型旋转压电驱动器的特性分析

3.1 引言

3.2 压电振子的一阶弯振特性分析

3.3 加约束的振子振动特性分析

3.4 本章小结

第4章 三足弯振复合型旋转压电驱动器的实验研究

4.1 引言

4.2实验样机与实验装置

4.3 压电振子阻抗测试与阻抗匹配

4.4 压电振子振型测试

4.5 压电驱动器的运行调试

4.6 压电驱动器的机械特性测试

4.7 单个振子机械特性测试

4.8 单个振子温度-时间特性测试

4.9 实验结果分析

4.10 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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