机器人球形关节作为一种新型机器人传动机构,可完成单关节多自由度旋转运动,具有结构简单、集成度高、运动平稳精确、响应速度快等一系列优点,在航空航天、智能汽车、生物医疗、高端制造检测装备等领域有广泛的应用前景。作为机器人结构的核心部件,球形关节的结构优化、控制精度、驱动算法、工程实践应用等方面一直是这个领域的研究热点。为改善球形关节结构刚度不足、可靠性低、驱动方式复杂、响应速度慢、难以实现产业化应用等问题,从机械结构与驱动方法等方面展开研究。主要研究内容如下:1、设计了新型机器人球形关节。建立笛卡尔坐标系与球坐标系下的机器人球形关节数学模型,为进行动力学分析提供数学基础。提出球面插补的概念,利用B样条曲线拟合进行机器人球形关节球面插补运动轨迹规划。2、获得球形关节转动惯量与姿态关系,利用拉格朗日第二方程、动能定理推导出球形关节动力学方程;提出球形关节定子电磁铁与转子运动块间的运动匹配算法,并对不同位置关系进行力学分析,从而得到机器人球形关节运动的力学模型,为关节运动仿真提供理论支撑。3、利用Ansys Maxwell电磁仿真软件分别对机器人球形关节在不同安匝数下进行自旋、俯仰、偏航运动的通电策略进行电磁学有限元仿真分析;在姿态遍历分析基础上,利用Matlab软件对仿真结果进行曲线方程拟合计算,建立机器人球形关节“空间位置-角速度-角加速度-驱动力与力矩-电磁铁输入安匝数”综合数学模型。并通过实验进行验证,获得机器人球形关节数字驱动方法。4、利用ADAMS动力学仿真软件对机器人球形关节球面插补运动进行运动学仿真,仿真结果验证了球形关节球面插补、B样条轨迹规划以及关节通电策略匹配算法的可行性。本文设计的新型机器人球形关节结构提高了刚度、稳定性且更接近产业化应用;提出一种基于电磁原理的数字驱动方法,使机器人球形关节驱动更直接、响应速度更快、控制精度更高,为机器人球形关节驱动方式提供新的方法。