精密柔索传动是一种轻质简洁高效的空间型摩擦挠性传动方式,具有布局灵活、轻量化、小型化等特点,在精密指向机构、人机交互设备、跑步机器人、末端操作器械等系统中得到了广泛的应用。但是,目前柔索传动仍然存在一些问题,制约了它在高精度高动态场合的应用,例如:力位移特性的作用与转换方式认识不够深入、设计参数-传动特性-伺服性能三者的映射关系尚不明确、设计理论系统性规范性不强。针对上述问题,本文开展了传动静动态特性和设计方法的研究,并通过典型应用对所研究的方法进行了验证。通过这些基础理论和关键技术研究,掌握精密柔索传动特性的作用机理与变化规律,建立规范化的工程设计方法,为柔索传动在精密伺服机构中的应用打下基础。主要内容包括以下几个部分:1.实现高性能柔索传动部件的设计,取决于对力位移特性作用机理的理解。针对传动静态特性创成机理及其演变规律认识不够深入这个问题,建立了传动刚度、迟滞特性、传动空回的理论和仿真模型,并通过实验充分验证了理论模型的准确性,理论与测试结果的拟合度总体达到了85%以上。通过以上研究发现:传动刚度呈现了软弹簧特征,说明柔索传动适合于小负载的应用场合;迟滞特性不仅取决于当时的加载力矩,也受外载荷历程的影响,说明柔索传动自身具有记忆功能;传动空回是由负载力矩的跳动变化引起的,应尽量减小系统中的摩擦力矩。全面地掌握了柔索传动关键静态特性的作用机理与变化规律。2.传动部件的动力学特性直接影响了系统的伺服性能,机械谐振和摩擦扰动是制约柔索传动伺服系统性能提升的两个关键动力学因素:机械谐振会引起伺服系统传动力矩、转速以及位移等内部状态量的同频大幅度振荡;摩擦扰动会导致系统产生静态误差和低速抖动。为掌握柔索传动伺服性能调控原理,建立了双惯量弹性系统动力学模型,研究了系统机械谐振的成因和参数对其的影响规律,并采用了频率辨识法进行参数辨识,构建了状态扩展卡尔曼滤波器对摩擦扰动进行观测并补偿。实验结果表明,所提出的摩擦补偿方法能够明显地改善速度过零死区和低速抖动现象,所建立的动力学模型能够准确地预测机械谐振中心频率,采用所提出的陷波滤波器控制策略后,速度响应误差降低了90%以上,有效地抑制了内部状态量的振荡。从而明确了响应精度与关键动力学特性的映射关系,提高了系统伺服性能。3.柔索传动具有典型的定制化设计特点,其布局、预紧方式与宿主结构、负载特性密切相关,从而使得柔索传动设计理论难以实现系统化标准化。针对柔索传动设计主要依赖于经验这个问题,提出了柔索传动机构的工程设计流程,并对其中的传动构型设计、预紧张力测量、复杂构型柔索传动机构特性分析方法等关键步骤展开了研究。针对在空间结构尺寸的限制下,现有的张力测量方法偏差较大这个问题,提出了一种改进型三点弯曲张力测量方法,满足了柔索传动系统的张力测量精度要求。针对复杂构型柔索传动系统难以直接采用数学解析方法描述的问题,提出了基于RecurDyn的刚柔耦合有限元仿真方法,可以分析各微段柔索的张力变化情况,为复杂构型柔索传动机构特性分析提供了一种有效手段。通过以上研究,较系统地提出了柔索传动工程设计的具体流程及相关准则。4.精密回转伺服驱动部件是精密指向机构中的关键基础单元。本文针对轻量化高精度驱动部件的应用需求,提出了一种基于类锥齿轮和导引轮系复合的柔索传动构型,研究了该构型下的运动学关系和传动空回特性。实验结果表明,该原理样机输出力矩可至3.3 N·m,扭矩输出密度高达9.649 N·m/Kg,位置随动精度约为±0.3mrad。针对大扭矩超高精度驱动部件的应用需求,提出了一种多输入单输出类直齿轮柔索传动构型,研究了该构型下的传动能力、刚度和空回等传动特性,实验结果表明,该原理样机可输出力矩可至35N·m,扭矩输出密度高达8.997N·m/Kg,运动分辨率可优于0.5μrad。以上两种原理样机均实现了预期设计目标,形成了柔索传动回转伺服驱动部件的设计方法。5.滚珠丝杠、齿轮齿条是常用的直线运动传动元件。本文探讨了一种采用柔索传动技术实现直线运动的方式,提出了一种基于导向轮与动滑轮相结合的直线传动构型,研究了基于柔索传动直线运动部件的动力方法设计流程,针对该传动构型下柔索在主动轮上的轴向移动会造成传动失效这个问题,以斜偏角为约束条件,推导了设计参数对斜偏角的映射模型,明确了有效行程的计算方法。制造了实验样机,样机的有效行程为200mm,最大速度可达到1m/s,定位误差可优于2.44μm,说明柔索传动技术可以较好地满足直线运动部件提出的高速高精等技术要求,形成了柔索传动直线运动部件的设计方法。