谐波减速器非线性动力学建模与分析

摘要

作为智能机器人关节的核心，谐波减速器具有体积小、传动比大、间隙小、质量轻等一系列独特优势，已被广泛应用在航空航天、工业物流、医疗健康、生活服务等重要领域。但谐波减速器内部的微观传动机理复杂不明，运行时会受到迟滞、摩擦、传动误差等非线性传动特性的不良影响。鉴于此，本文分别对谐波减速器的迟滞特性、摩擦特性、传动误差进行非线性动力学建模与分析，并在此基础上构建一个综合考虑这三类非线性传动特性以及波发生器刚度的谐波减速器机器人关节动力学模型，为谐波减速器智能机器人控制器的设计奠定基础。论文主要研究工作和研究成果如下：　　①对谐波减速器非线性迟滞特性进行分析及建模。通过对迟滞产生机理的分析与比较，得到“谐波减速器迟滞特性是由柔轮的非线性弹性变形和啮合齿面间的预滑动摩擦共同导致”的结论。针对现有迟滞模型物理意义不明确、所需辨识参数数量多、所得迟滞曲线不平滑的问题，提出一种“三次多项式”与“Dahl预滑动摩擦模型”结合的谐波减速器迟滞模型。通过仿真，验证了该模型的合理性与简易性；　　②对谐波减速器非线性摩擦进行分析及建模。聚焦“谐波减速器内部摩擦产生位置与产生机理不统一”这一问题，将摩擦分成“产生在输入端波发生器柔性轴承外圈和柔轮内壁之间的滑动摩擦”与“产生在输出端柔轮齿面和刚轮齿面之间的预滑动摩擦”两类。考虑润滑作用对前者的影响，提出一种混合弹流润滑状态下谐波减速器波发生器柔性轴承外圈与柔轮内壁之间摩擦力矩的计算模型，从而从理论上得到不同输入转速和不同载荷下的谐波减速器输入端摩擦力矩。通过仿真，证明了该计算模型的正确性；　　③对谐波减速器传动误差进行分析及建模。对传动误差的两大组成部分（即“刚性传动误差”和“柔性传动误差”）的产生机理进行分析和讨论，明确各部分传动误差分量对减速器传动性能的不同影响。从“单柔体”和“双柔体”（即把柔轮和波发生器都看作变形体）两个角度进行比较与论证，确定传动误差的简易测量方法。以傅里叶级数为理论基础，得到传动误差的数学模型；　　④谐波减速器机器人关节非线性动力学建模及分析。综合上述研究的成果，提出一种能够定量描述迟滞特性、摩擦特性、传动误差、波发生器刚度以及它们耦合关系的谐波减速器非线性传动模型：STL（Serial Transmission Lag）模型。并以STL模型为核心，在已知减速器输入输出角位置的前提下，推导出“多因素耦合的谐波减速器机器人关节动力学模型”。通过对阶跃响应仿真结果的分析，验证了该动力学模型的有效性和正确性。

目录

1 引 言

1.1 研究意义

1.2 研究现状

1.3 研究内容与创新点

2 谐波减速器非线性迟滞特性分析及建模

2.1 迟滞现象及其测量方法

2.2 迟滞产生机理

2.3 一种“三次多项式”与“Dahl模型”结合的迟滞模型

2.4 本章小结

3 谐波减速器非线性摩擦分析及建模

3.1 摩擦分类

3.2 摩擦测量方法

3.3 一种考虑润滑作用的谐波减速器非线性摩擦计算模型

3.3.1径向载荷计算

3.3.2中心膜厚和接触载荷比计算

3.3.3温升计算

3.3.4摩擦力矩计算

3.4 本章小结

4 谐波减速器传动误差分析及建模

4.1 传动误差组成

4.1.1刚性传动误差

4.1.2柔性传动误差

4.2 传动误差测量方法

4.2.1总体传动误差测量方法

4.2.2基于“单柔体”的刚性传动误差测量方法

4.2.3基于“双柔体”的刚性传动误差测量方法

4.3 传动误差模型

4.4 本章小结

5 谐波减速器机器人关节非线性动力学建模及分析

5.1 谐波减速器机器人关节动力学建模

5.2 一种耦合非线性传动特性的谐波减速器传动模型：STL模型

5.2.1STL模型

5.2.2迟滞特性与传动误差的耦合关系

5.2.3摩擦特性与迟滞特性的耦合关系

5.3 多因素耦合的谐波减速器机器人关节动力学建模及分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附 录

A.学位论文数据集

致 谢