机器人多自由度关节是机器人技术领域研究的热点和难点,传统的关节一般结构复杂,制造安装困难,而多自由度球形电机又处于研究阶段,性能未达到实用要求。本文对2002年冯浩教授提出的新型多自由度关节进行了研究,针对关节驱动电机低速大转矩、断电自锁的要求,选用了超声波电机对其进行驱动,使新型关节的实现成为可能,并同时简化了关节的结构,提高了可控精度。 超声波电机具有响应快、体积小转矩大、转速低,不受电磁影响,断点自锁等优点,但超声波电机数学模型的不确定性给其位置速度控制增加了难度。本文对日本Shinsei公司的行波超声波电机USR-30进行了运行特性、调速特性、瞬态特性和步进特性试验得到其特性,并在此基础上,针对其在新型机器人多自由度关节中的运行特点,提出了一种简单易行、精度高、转速低的微步控制方法,使控制精度达到0.01度,此方法在精密定位方面具有普遍意义。本文还对机器人多自由度关节的路径规划进行了研究,提出了一种新的β-γ平面路径规划法,降低了路径规划的难度。最后,为行波超声波电机驱动的机器人多自由度关节设计了控制系统,实现了对关节的实时控制。