中文摘要：

关节是机器人的核心部件，由谐波齿轮断裂、磨损、发热等而导致的关节损坏已经成为影响机器人性能和寿命的最主要因素。为此，本项目开展关节谐波齿轮传动系统动态特性及其演变规律研究，建立考虑摩擦等非线性因素影响的谐波齿轮传动系统非线性动力学模型，研究谐波齿轮传动系统的动态特性试验与特征信息提取方法，探索谐波齿轮传动系统动力学与摩擦学特性的耦合规律，揭示谐波齿轮失效机理，为机器人关节传动系统的可靠性设计、制造与安装技术提供理论依据。

结论摘要：

本课题主要针对机器人关节谐波传动系统的刚度低、可靠性与寿命低等难题，在动力学、摩擦学、特性测试与设计优化技术等方面开展了研究。搭建了谐波齿轮传动系统实验平台，研究了谐波传动系统性能测试过程中的高效信号处理方法，开展了几何误差、摩擦、扭转刚度、速度响应等多项动力学、摩擦学特征信息的测量实验，并基于等效啮合齿对模型建立了谐波传动系统动力学与摩擦学非线性耦合模型，模型考虑了装配误差、摩擦和弹性变形等非线性因素，且计算了不同工况下的速度阶跃响应，仿真计算结果与实验结果较为吻合。采用实验样件的方式，研究了谐波传动啮合部摩擦磨损状态随速度和负载的变化关系，利用摩擦系数、接触刚度和声发射电压等信息表征啮合部表面的摩擦润滑情况，开展了接触表面滑动速度、正向负载和润滑方式三个变量的正交实验，结果显示，低速、高速和重载是引起轮齿啮合部摩擦磨损失效的主要因素，润滑条件对摩擦系数的影响最大，滑动速度次之，正向负载最小。以啮合干涉为条件，建立了谐波传动齿轮啮合参数的计算模型，并通过遗传算法，以同时啮合齿数最多为目标，对齿高系数、顶隙系数、刚轮变位系数和波发生器变形系数等参量进行了优化求解。采用有限元分析方法开展了谐波传动系统关键零件柔轮的应力、变形及接触状态的分布求解，发现轮齿应力最大位置主要集中在齿圈后端，优化后的齿轮啮合接触面积增大，空载下应力减小，但在负载较大时，应力减小较少，并开发了对应的谐波齿轮啮合参数计算软件。本课题对于机器人关节相关动力学及其特性测试问题的研究同样可以推广到各类机器人关节减速器，例如RV减速器、行星减速器等的特性测量和动力学建模中，并且所测参数例如几何误差、摩擦和刚度迟滞特性等，可用于机器人关节的高精度运动补偿控制模型中，以提高机器人的轨迹跟踪精度。