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随着科学技术的进步,航天、医疗已成为机器人应用的重要技术领域,其非常规和极端环境的特点对机器人提出了更高的要求,诸如轻、小、低噪声、无电磁干扰等。腕关节作为机器人的基础部件之一,探索其结构简单、运转稳定的结构形式对机器人的微型化、轻量化以及进一步拓展机器人的应用水平有着重要的意义。杆式多自由度超声电机作为超声电机的一种,其全新的原理、简单的结构形式以及三自由度驱动特点,使其在构建结构简单、紧凑小巧的机器人腕关节方面有着无可比拟的优势。本文通过有限元分析仿真与实验相结合的手段,对基于杆式多自由度超声电机构建机器人腕关节的关键问题展开了研究,本文研究内容如下:1)根据杆式多自由度超声电机工作机理,利用ANSYS有限元分析软件,基于传统的连续体有限元建模方法,实现了对电机定子的动态特性设计,并基于相关的结构设计参数加工制作了原理样机。通过实验研究发现,基于连续体的有限元建模分析方法在杆式超声电机结构动力学设计中存在着严重的不足。2)针对杆式超声电机设计中采用连续体有限元模型而导致计算精度不足的问题,提出了在螺栓预紧力条件下的杆式多自由度超声电机振子的建模方法;并分析了螺栓预紧力和联接面摩擦系数对定子模态频率的影响。3)基于杆式多自由度超声电机构建机器人腕关节结构,研究了确保电机球形转子在关节结构中三自由度运动的结构形式设计以及定转子之间的预压力加载等关键技术;确定了转向环转轴与球形转子转轴垂直交叉布置的设计,实现了关节三自由度的运动及电机定、转子之间的预压力加载、可调;根据原理样机的尺寸参数,加工制作了腕关节结构。