基于GMM的关节驱动器部件设计与研究.pdfVIP

学兔兔 、I II5 化 基于GMM的关节驱动器部件设计与研究 Design and research on actuator joint components with GMM 李媛媛 ，张 森 ，葛伟伟’，孙维丽’ LI Yuan—yuan。，ZHANG Sen ，GE Wei．wei ．SUN Wei．¨1 (1．山东青岛黄海学院机电工程学院，山东266427；2．山东科技大学机电学院，山东266510) 摘 要：以超磁致伸缩材料 (GMM)为动力源，设计了一种机器人关节驱动器。通过GMM在机器人关 节驱动器上的应用特性，研究了GMM的工作原理及工作能力，对其工作性能进行了试验验 证。根据杠杆原理分别对关节驱动器上的差动式微位移放大机构和直线运动与旋转运动的转 换机构进行结构设计，并对转子的强度基于ANSYS进行了有限元计算。研究解决了仿生微型 机械中长期存在的驱动机构质量较大的问题，为其他相关动力驱动机构的设计提供了一种可 靠的思路与方法。 关键词：超磁致伸缩材料；关节驱动器；FEA；结构设计；ANSYS 中图分类号：THI 32；TK05 文献标识码：A 文章编号：1 009—01 34(201 3)1 0(上)一01 1 2—04 Doi：1 0．3969／J．issn．1 009-01 34．201 3．1 O(E)．33 0 引言 提供了坚实的理论依据。 超磁致伸缩材料 (Giant Magnetostrictive Material，简称GMM)是一种三元系稀土化合 物，化学式为TbxDyl—xFey，在一般情况下，X 取0．3，y取1．95。GMM在国外常使用的牌号为 Terfnol—D，其饱和磁致伸缩系数为1．6X l0～，磁 机耦合系数大于0．6。GMM材料的磁致伸缩应变 骨架 灵敏、响应速度、带载能力强，因此，依靠其独 图1超磁致伸缩驱动器的结构图 特的优点，广泛适用于低频大功率声纳换能器和 驱动器的开发应用。随着技术的研究及发展，国 1驱动器结构设计 内GMM材料的性能已逐渐接近国外同类材料的水 1．1驱动器的工作原理 平，其饱和磁致伸缩系数大于1．35×10～，磁机耦 超磁致伸缩驱动器的驱动部分的结构示意图 合系数数值在0．5—0．7之间…。 如图1所示：驱动部分主要由超磁致伸缩棒 (GMM 在正常工作过程中，GMM棒形成的磁场，其 棒)、驱动线圈、端盖、弹簧、连杆和外套筒等组 内部强度与频率是随着外部电流的大小和频率改 成。根据Jump效应的原理，对于GMM材料，在预 变的，这种磁场的变化可以使GMM材料的线磁 压组件施加预应力时，磁致伸缩长度随磁场强大 致伸缩长度发生变化。材料的伸缩会推动连杆运 增大发生跃变式增加，因此，可以通过增大外部预 动，连杆运动产生的驱动力可以传递轴向位移， 紧力，实现更大的磁致伸缩应变，从而增大输出位 通过位移放大器将微小位移量放大，最终实现了 移。但是，由于GMM捧的抗拉强度较低，如果过 电磁能向机械能的转换 。根据GMM的工作原 大的施加预压力可能导致GMM棒被拉断 。 理，本文设计和研究了一种机器人关节驱动器， 在外部磁场的激励作用