基于超磁致伸缩材料的谐波驱动器结构与磁场优化设计

刘易斯，李俊阳，杨宇通，蒲 伟

(1.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400044；2.四川大学 空天科学与工程学院，成都 610065)

随着机器人应用领域不断扩大，机器人关节小型化、轻量化、集成化及模块化已成必然发展趋势。现有机器人关节是由驱动电机作为动力源，经由波发生器旋转带动柔轮变形与刚轮啮合传动，从而实现机械臂单自由度摆动或旋转，空间利用率不高且在低速运行快速响应等应用领域发展受限[1]。近年来不同形式波发生器构成的谐波传动构想不断涌现，包括液压驱动[2]、压电驱动[3]、电磁驱动[4]及磁致伸缩驱动[5]等多种形式。其中，基于超磁致伸缩材料具有伸缩系数大、机电耦合系数高、响应速度快、输出功率大、易于驱动等特点[6]，朱林剑等[5]提出利用超磁致伸缩材料制作稀土超磁致伸缩驱动器(giant magnetostrictive actuator,简称GMA)来直接驱动柔轮变形，经谐波传动输出的集驱动、传动于一体的构想备受关注。

1 GMM棒几何参数设计

谐波减速器由柔轮、刚轮以及波发生器三大基本构件组成。波发生器为椭圆形零件，尺寸与柔轮存在一定过盈量，其长轴长度比柔轮内经略长，短轴长度比柔轮内径略短，装配过后波发生器旋转迫使柔轮发生弹性形变并与刚轮发生啮合，从而柔轮旋转输出形成谐波传动。谐波驱动器可用于替代波发生器直接驱动柔轮形变并经谐波传动输出，扩展传统电机驱动谐波传动模式，提高系统空间利用率。

由于谐波减速柔轮内部空间狭小且GMM棒线性伸长率有限，无法在柔轮内部直接均匀周向布置谐波驱动器。……