摘要
随着人工智能、智慧家居的发展，服务机器人走进了千家万户，机器人的核心部件是机器人关节，其运行性能会直接影响机器人安全和使用寿命。本论文以服务机器人关节为研究对象，首先进行机器人关节驱控一体化设计，研制出样机进行实验测试，并对机器人关节电机-齿轮传动系统机电耦合动态特性研究，进一步建立了机器人关节齿轮传动系统平移-扭转耦合动力学模型，对其固有特性进行研究。论文主要研究内容如下： (1)开展机器人关节驱动控制系统设计，包括硬件电路设计和软件程序设计，硬件电路包括电机驱动电路、主控芯片电路、位置检测电路和降压电路等，软件程序设计包括机器人关节驱动器程序、控制器程序和上位机界面设计。通过对机器人关节进行驱动控制系统设计，优化了硬件电路、软件程序，实现无刷电机闭环控制，有效减小机器人关节体积，能更好的应用于各种场景。 (2)对机器人关节进行机械结构设计，包括无刷电机选型、精密齿轮传动系统以及壳体的设计。其中，针对机器人关节齿轮传动系统进行齿轮副时变啮合刚度研究，为后续机器人关节动力学特性研究奠定数值基础。进行机器人关节驱动器电路板和齿轮传动系统加工制造，研制出机器人关节样机，最后开展机器人关节实验测试，分析电机转速、电压等参数，验证了机器人关节驱控一体化设计方案的可行性。 (3)根据无刷电机动态特性和齿轮传动系统时变啮合特性，建立出无刷电机动态模型和齿轮传动系统动力学模型，搭建机器人关节传动系统机电耦合动力学模型。由此模型，分析该系统自由扭振特性和系统模态能，并进一步研究在稳态工况和冲击载荷工况下机器人关节电机-齿轮传动系统动态响应特性。 (4)以机器人关节中齿轮传动系统为研究对象，采用集中参数法建立了其平移-扭转耦合动力学模型，根据牛顿第二定律建立了各构件动力学方程。由此，分析该系统固有频率、系统模态应变能和模态动能，并研究系统刚度、质量等参数对固有频率的影响。
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