基于GMM的关节驱动器部件设计与研究

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、I I5 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—04Doi：1 0．3969／J．issn．1 009-01 34．201 3．1 O(E)．330 引言超磁致伸缩材料 (Giant MagnetostrictiveMaterial，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灵敏、响应速度、带载能力强，因此，依靠其独特的优点，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，国内GMM材料的性能已逐渐接近国外同类材料的水平，其饱和磁致伸缩系数大于1．35×10～，磁机耦合系数数值在0．5—0．7之间?。

在正常工作过程中，GMM棒形成的磁场，其内部强度与频率是随着外部电流的大小和频率改变的，这种磁场的变化可以使GMM材料的线磁致伸缩长度发生变化。材料的伸缩会推动连杆运动，连杆运动产生的驱动力可以传递轴向位移，通过位移放大器将微小位移量放大，最终实现了电磁能向机械能的转换 。根据GMM的工作原理，本文设计和研究了一种机器人关节驱动器，文中设计的机构部件主要包括驱动器、差动式位移放大机构和转子等三部分。在计过程中，根据强度计算，可确立驱动器主要部件的材料 ，同时，对差动式放大器结构、转子进行了设计并完成了强度分析。文中的研究内容、方法及分析结果对今后的超磁致伸缩材料机器人驱动器的设计提供了坚实的理论依据。

骨架图1超磁致伸缩驱动器的结构图1 驱动器结构设计1．1驱动器的工作原理超磁致伸缩驱动器的驱动部分的结构示意图如图1所示：驱动部分主要由超磁致伸缩棒 (GMM棒)、驱动线圈、端盖、弹簧、连杆和外套筒等组成。根据Jump效应的原理，对于GMM材料，在预压组件施加预应力时，磁致伸缩长度随磁场强大增大发生跃变式增加，因此，可以通过增大外部预紧力，实现更大的磁致伸缩应变，从而增大输出位移。但是，由于GMM捧的抗拉强度较低，如果过大的施加预压力可能导致GMM棒被拉断 。

在外部磁场的激励作用下，GMM棒产生的应变和应力，在宏观上表现为位移和力。在通常情况下，GMM 棒的内部应变和棒内磁感应强度需要满足下列方程：E：S“T dHB=dT+u H式中： ￡一应变，B一磁感强度，H一磁场强收稿日期：2013-06-07作者简介：李媛媛 (1979一)，女，山东人，副教授，硕士，研究方向为系统动力学、计算机工程图学和GMM特性研究。

【1 121 第35卷 第1O期 2013-10(上) I 訇 化度，d一场耦合系数，S“一柔顺系数 ，T一应力，u 一磁导率 。

在正常工作中，驱动器中电磁能与机械能之间的转换公式为：(1一k 3)E h=k23Emagn式中：k 一GMM棒轴向磁机耦合系数，E 。

和E 一机械能和电磁能。

外部电流是控制磁场激励的关键，同时也是决定磁场能向机械能转化的主要因素之一，不同的输入电流可实现不同的位移、力的输出。除此之外，外部预压力和偏置场的大小对磁机耦合系数有着一定影响；适当配置机械和电气的结构参数，可使GMM 处于较佳的机电耦合状态，提高能量转换效率。

1．2驱动器的结构设计GMM棒在整个驱动器中起着关键的作用，但是由于GMM材料比较昂贵，因此，其材质的选择需要遵循最大性价比的要求。对于GMM棒的结构形状设计，也需要遵循一定要求：GMM棒的设计长度要大于输出位移的计算长度，而且需按照品牌规格来取值：GMM棒的截面积需要满足工作中承载的安全系数 。

根据驱动器的使用要求及GMM棒的选取原则，经计算可得：取GMM棒的长度为20mm，截面 的直 径为5 m rl，GMM材料 的化学式 为Tb0_27Dy∽3Fe。_95。为了实现GMM需要的作用，将GMM棒置于22mm长的多层螺线管线圈内并封装。文中设计的螺线管线圈骨架用聚四氟乙烯机械加工而成。连杆是连接超磁致伸缩棒与外界的媒介，并且和超磁致伸缩棒构成封闭磁路，材料选取刚性与塑性适宜的45钢，驱动器的其它部件材料如表l所示。当改变电磁线圈中的电流时，通过试验测试 ，可得 出外加磁场与输 出位移量之间的关系如图2所示。

表1 驱动器部件材料部件名称 材料线圈骨架 聚四氟乙烯线圈导线 铜套筒 铝上端盖 铝预压螺母 铜连杆 45钢外壳 45钢底座 45钢1一 l02 1一
l删躲黼整O 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 4磁场 (Koe)图2 位移量与外加磁场的关系根据试验结果可知，由于GMM的零压力正向驱动特性，外加磁场与输出位移之间接近二次方的关系，如图2所示：在外加磁场的作用下，输出位移的滞回较小，而且位移的控制精度较高；当外加磁场约为0-4Koe，输出位移与磁场强度之间呈非线性；当磁场在100~700oe时线性特性较好；当磁场较低时 (小于100oe)，位移较小；当外加电流产生的磁场大于 700oe时，GMM材料的伸长将超出GMM的线性区域，逐渐趋于饱和状态 。

如果GMM材料置于交变磁场环境下，由于其本身特性，会产生 “倍频现象”，因此，在设计时必须要考虑消除这种现象，从而实现正常的位移输出。文中主要利用永磁铁产生的偏置磁场来消除 “倍频现象”，不但实现了良好的效果，而且还能在驱动线圈断电和通电时保持GMM棒伸长位置和原始位置不变。钕铁硼是一种非常优良的永磁材料，其具有磁能积大、矫顽力高、工作稳定性好和价格便宜等优点，同时，钕铁硼的工作温度较低，可以很好的满足文中设计的超磁致伸缩驱动器的工作温度要求u 。

对于磁路的设计，需要采用磁导率较高而且磁路横截面积较大的材料，这样可以解决驱动器在结构设计上的限制问题。磁路设计时，应尽量采用全封闭磁路，而且要保证磁场的均匀性。为了使磁力线尽可能多的通过GMM棒，文中选取线圈长度为22mm，匝数选为264匝。线圈骨架的结构如图4(a)所示。

(a)线圈骨架 (b)驱动器机构图3 机构尺寸图连杆的长度尺寸要适宜，不能影响驱动器的第35卷 第1O期 2013—10(上) 【1 131一 一 ，
～一二=．====j删 洲 咖 刚 枷 {言。
、l生 訇 化体积，文中设计连杆长度选为为10．5mm，直径为5mm。最终设计驱动器结构及尺寸如图3(b)所示，结构参数如表2所示。

表2 结构参数表参数 尺寸线圈匝数线圈长度弹簧刚度套筒内径 (dh1)套筒外径 (dh2)套筒高度 (1h)底座直径 (DT)底座高度 (ht)2 差动式位移放大机构设计为了实现关节的正常移动，需要将GMM产生的微小位移进行放大，文中设计了一种差动式位移放大机构，如图4(a)所示，这种结构可以实现在相对较小的结构尺寸下得到较大的位移输出。位移放大机构主要基于杠杆原理。其主要部件为3个杆件，文中设计杆件1、杆件2、杆件3的结构尺寸如图5所示。为了满足正常工作要求，需要对机构进行校核计算。

(a)差动式放大机构受力 (b)转子受力图4 受力分析根据关节驱动器 的设计 ，输 出转矩要求为1000N·mm，转子的直径选取为30mm，输出轴的轴径设计为5mm，转子齿面受力如图4(b)所示，忽略摩擦力，则可计算各个杆件的承载特性：T= ：167N·m／nF ：：———T
— — ：： —
167N
—
． m m
：： 11ND／2 30mm／2F_： ： ：22．1N— sin& sin30F：旦 ： ：26N‘ COSO' cos30里 = 娟 NF1 ： 一26N ．15ram 78Nr， = 一 =L 2 5mm． ： 一
3666N~mm 667N。 L0 5．5mm抗拉强度：【1141 第35卷 第1O期 2013-10(上)。b=鲁-1-5MPa抗弯截面系数：w ： ：—1．5mm x
—
(3ram~)
： 2．25mm36 6弯曲强度：6一 = ：1．63MP已知65Mn的抗拉强度为735MPa，屈服强度为430MPa，弯曲强度为98MPa。经强度校核，杆件的抗拉强度和弯曲强度均符合设计要求。

LE：二二二二 二； ．!盐三三三三三三 ={ 1
．．． ———————— ．．．—————————．．．．——— 一 j ．——— ． ．．— ———— ．————一 一 l(a)杆件1l二 V广1～ I‘：{ ■ j ～_j! ? }(b)杆件2(c)杆件3图5 杆件的结构尺寸3 转子的结构设计转子是关节驱动器中的重要部件，按照工作要求，转子需要实现直线运动与旋转运动之间的匝m m m m m m t耄～ (萋n加9
l 匐 似转换，同时，转子的外形结构尺寸不能过大，否则会影响其他部件的正常工作。在本设计中，为了实现转子所需要的间歇式运动，使用与转子相同齿形的元件与之啮合。

转子的传递精度对整体机构的位移机构输出有重要的影响，在承受特定的载荷下 (在稳定工作中的转子承受着30N的轴向力和1N‘m的扭矩)，文中利用有限元法，对转子的受载变形量进行了仿真计算，为结构设计提供理论依据。在Pro／E下建立转子的三维模型，如图6(a)所示，然后在有限元分析软件ANSYS／Workbench环境下，通过对转子施加实际的载荷并定义边界条件，计算出了转子的变形特性，如图6(b)所示。通过计算，转子的最大变形量满足要求，该转子的设计合理，能够完成其工作。

(a)三维模型-— -—(b)变形特性图6 转子pro／e模型及变形图4 结论1)文中对一种基于GMM的机器人关节驱动器的关键部件进行了设计计算，设计部件包括：驱动器、差动式位移放大结构和转子等 ；对于GMM在驱动器中的作用及特性进行了试验研究。

2)提 出了利用杠杆原理 ，设计位移放大机构，并巧妙地通过外部件的啮合实现了转子的间歇性转动；文中设计的差分位移方法机构通过承载特性进行校核计算，得出各个杆件均在许用范围之内；机构不但可以很好的实现直线运动与旋转运动的转换，而且可以获得较大的位移。

3)通过对转子进行三维建模并进行基于ANSYS的结构分析，保证了转子的稳定性及传动精度 。

4)此次设计改变长期以来机器人关节驱动机构的设计机理，并且可以解决仿生微型机械中长期存在的驱动机构质量较大的问题。

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矗‘ 童● jt‘ 童· 蠡I {＆‘ 山 {盘‘ ‘ {童● {＆● 盘‘ 出 ．{蠢· 竞● {矗● {重‘ 出‘ ． 生● ．出 【上接第58页】理不同算例时表现不一。如何在算法中动态设置和分析不同的选择、交叉、变异算子组合对算法性能的影响程度，是下一步需重点研究的内容。

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