复杂载荷下机器人关节谐波传动系统强度和精度动态可靠性研究

As the key part in robot joints，the reliability and life of harmonic drive system are important factors for MTBF of robots. Focusing on the harmonic drive in robot joints under complex loads， this project study on the calculation method for stress probability distribution of flexible part under large deformation in harmonic drive，the correlation between contact wear and transmission accuracy of harmonic drive， and the test methods of fatigue strength and life of key parts in harmonic drive. Through the above research the dynamic failure rules of strength and accuracy of harmonic drive under complex loads will be revealed， the time-varying characteristics data on fatigue strength and life of key parts in harmonic drive will be accumulated, and the harmonic drive dynamic reliability model considering strength failure and accuracy failure under complex loads will be established. These results will offer some theoretic basis for reliability design， process optimization and lubrication of harmonic drive. The project is of great significance in improving the domestic robot technical level, reducing the work and maintenance costs of robots, and promoting the green manufacturing and intelligent manufacturing.

作为机器人关节的核心部件，谐波传动系统的可靠性和使用寿命是影响机器人无故障工作时间的重要因素。本项目针对复杂载荷下的机器人关节谐波传动系统，研究谐波传动系统柔性大变形部件的应力概率分布计算方法，谐波传动系统接触面磨损与传动精度间的关系，谐波传动系统关键部件疲劳强度和寿命试验方法；揭示复杂载荷下谐波传动系统强度和精度的动态失效规律，积累谐波传动关键部件疲劳强度和寿命的时变特性数据，建立复杂载荷下考虑强度失效和精度失效的谐波传动系统动态可靠性模型，为谐波传动系统的可靠性设计、工艺优化和润滑提供理论基础。所做工作对提升我国机器人整体技术水平，降低机器人运行、维护成本，促进绿色化和智能化制造具有重要的意义。

本课题主要针对国产机器人关节谐波减速器运行寿命和可靠性问题，在谐波减速器强度失效、精度等性能退化失效、寿命试验方法、动态可靠性以及齿形设计等方面开展了研究。建立了复杂工况下的谐波减速器瞬态动力学有限元模型，得到了柔轮危险位置的关键应力分布，结合加速寿命试验和柔轮极限状态函数，计算了多工况下的强度失效动态可靠度变化规律。对大气环境下机器人关节谐波减速器的摩擦磨损进行了分析，通过建立考虑磨损和不确定性的等效动力学模型计算了谐波减速器的传动精度响应输出和精度可靠度，发现刚柔轮齿接触副磨损对精度可靠度影响较大。搭建了谐波减速器寿命试验台，提出了步降加速寿命试验方法，开展了多工况下的寿命试验，并在寿命试验过程中进行了谐波减速器精度、刚度、效率、回差以及启动力矩等性能的退化测试，得到了谐波减速器寿命失效样本和性能退化规律。在考虑谐波减速器强度失效和性能退化失效之间相关性的条件下，研究了谐波减速器的相关竞争失效动态可靠度并分析了失效发生顺序，发现高应力水平下偏向强度失效，中低应力水平下偏向于性能退化失效。提出了谐波减速器双圆弧齿形双向共轭设计方法，并在此基础上考虑了柔轮齿圈空间变形，可以改善轮齿啮合接触、提高传动刚度。本课题针对谐波减速器进行的强度失效、性能退化失效以及动态可靠性研究方法同样可以推广到其他机器人关节减速器（如RV减速器、行星减速器）中，对于共同提升机器人关节寿命和可靠性具有重要意义。