JJ2515-基于球形超声电机的力交互系统结构设计 下载积分：50　资料编号： JJ2515

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CAD版本图纸，共8张

摘要

随着太空探索、远程操作手术、遥控操作机器人的不断发展，人们对人机交互技术的需求越来越旺盛。传统的人机交互主要利用视觉和听觉进行信息反馈，但当操作者需要感知遥控设备与环境的力交互情况从而准确遥操作时，仅依赖视觉和听觉反馈就显得无能为力。为了解决这个问题，力触感交互技术成为一种增强操作者临场感的重要手段。此外，随着虚拟现实技术的发展，人们需要与计算机虚拟环境产生力交互模拟真实触感，从而获得逼真的娱乐体验，力触感交互的需求与日俱增。

本文设计了一种基于球形超声电机的力交互系统。相对于传统的力触感交互装置中一个驱动器一般只能在一个自由度上产生反馈力，一个球形超声电机能在多个自由度上产生反馈力，且响应快、精度高、抗干扰能力强、能断电自锁，大大简化了交互装置的机构复杂度和减少系统的体积冗余。本文介绍了力交互技术的发展现状和超声电机的工作原理，重点设计了力交互系统的机械结构，其核心分为上端的力反馈装置和下端的球形超声电机。本文设计的力反馈装置体积小巧紧凑，内部嵌有5个触力传感器，最大测量扭矩0.18；设计的球形超声电机核心为1个球转子和3个环形定子，创新性的将卡盘的同步调心机构应用在定子支撑中，使3个定子能够均匀的夹持球形转子。利用有限元分析软件ANSYS Workbench对超声电机中的定子进行了模态分析，从各阶模态中选取了B07模态作为电机定子的工作模态并通过调整定子结构使其驱动频率在40kHz附近；通过谐响应分析得到定子的幅频特性曲线，其最大振幅为9.75。利用机械加工制造了锡青铜定子和ABS塑料转子，其余零部件使用树脂3D打印制造，最终装配出了一台力交互系统的实物样机。

关键词：人机交互；力反馈；超声电机；有限元分析

目录

摘要II

Abstract III

1绪论1

1.1力交互技术的发展现状1

1.2超声电机的工作原理3

1.3本文的研究内容5

2力交互系统的机械设计6

2.1总体设计6

2.2力反馈装置的结构设计7

2.2.1传感器选型7

2.2.2内部结构9

2.2.3力反馈量程10

2.3球形超声电机的结构设计11

2.3.1定子结构11

2.3.2转子结构12

2.3.3压电陶瓷环13

2.3.4定子支架14

2.3.5自定心机构16

3超声电机的结构分析及优化22

3.1有限元分析简述22

3.1.1有限元法概述22

3.1.2 ANSYS Workbench简述22

3.2定子的模态分析22

3.2.1模态分析简述22

3.2.2 Workbench中定子的模态分析23

3.2.3定子结构优化26

3.3定子的谐响应分析27

3.4定子支架的静态结构分析29

4各零部件的选用、制造和装配31

4.1外购件的选用31

4.2零部件的制造31

4.3零部件的装配33

5总结35

参考文献36

致谢37

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