空间高精度谐波减速器的应用研究

空间高精度谐波减速器的应用研究

0谐波机械传动原理波形传递是一种传递运动和能源的传递，采用波器实现柔性齿轮的振动器和动态传输。谐波减速器诞生于上世纪美苏月球探测时期,主要是为了解决航天运动机构对结构紧凑、质量轻、体积小而减速比大、传动效率高、传动精度高的减速器的迫切需求。谐波机械传动原理是前苏联工程师A.摩察尤唯金于1947年首次提出,而美国的C.WaltoMusser根据空间应用需求于1953年发明了谐波减速器,并于1955年获得美国专利,1960年在纽约展出谐波减速器实物。1961年谐波减速引入中国,国内开始在谐波减速器的设计、制造和应用方面展开了研究。谐波减速器的组成如图1所示,主要包括刚轮、柔轮和波发生器等三个部件组成。1谐波传动技术发展概况目前,美国、日本和德国等航天工业强国均有专门从事空间谐波生产和研究的研究所及公司。最为著名的是HD公司,为了应对航天飞行器对空间谐波减速器的应用需求,设立了专门从事空间谐波减速器的研究部门,并开发出了系列化的航天用谐波减速器。目前,HD公司已成为全球谐波传动装置最著名的生产商,且完成了谐波传动装置的标准化、系列化工作。目前,谐波传动系统有限公司研制的双圆弧齿廓产品中的超短杯型号CSD和SHD,其柔轮长度仅有常规谐波传动柔轮的1/3,既增加传动刚度,又大幅减轻了谐波减速器质量10。20世纪90年代以来,英国、法国、德国、瑞士、瑞典等欧洲国家除了在机器人和数控机床等领域大量使用谐波传动外,也开始在卫星等空间机构开展了空间谐波传动的设计和应用研究。因此,欧美在谐波减速器的设计、制造、使用及空间润滑等方面积累了丰富的经验和理论基础。我国谐波传动技术的发展最早可以追溯到20世纪60年代初。1961年上海纺织科学研究院将这一技术引入我国,最初只是用于军事和航天等方面,直到20世纪80年代才逐渐开始民用。目前,中国国内航天应用的谐波减速器主要来自于北京中技克美公司,该公司研制生产的谐波减速器已经被应用于神舟飞船以及“玉兔”号月球车等多型号空间飞行器。该公司在空间谐波减速器的研制和应用方面处于国内领先地位。随着空间机器人,航天、航空飞行器,以及医疗机器人和核电行业的快速发展,对谐波减速器的应用提出了更加苛刻的要求,尤其是对谐波减速器的体积、质量和传动精度等指标。因此,小模数精密短筒柔轮谐波减速器是谐波传动的发展趋势。因此,德国的HarmonicDrive专门成立了Micromotion公司,专门负责用直接LIGA工艺开发与制造微型谐波齿轮传动及其传动方案,在微型谐波传动领域,于2005年向市场推出了“P”齿形,目前开发出了MHD8和MHD10两个系列的产品,外径最小为8mm,采用行星齿轮传动式波发生器,传动比为160、500和1000,质量最小为2.2g,重复精度可达10″。高精度、高刚度、长寿命、高可靠性的小型化谐波减速器是目前谐波减速器的发展主流方向。2长期以来，高精度空间微波装置的应用2.1谐波驱动机构美国是第一个将谐波减速器应用于空间飞行器的国家。1962年,美国NASA将该项技术应用在Telstar1通信卫星上,从此拉开了谐波减速器应用于空间飞行器的序幕。目前,美国谐波驱动科技公司是该国制造、生产谐波减速器的主要公司。该公司成立于1955年,是谐波减速器发明者C.WaltonMusser所在的公司。目前该公司主要生产两大类别7个系列的谐波减速器产品,已为NASA提供了3000台以上的谐波减速器用于空间飞行器,包括月球车、哈勃太空望远镜、铱星计划、火星观测器和探测器以及国际空间站等空间机构中。美国有专门研制空间飞行器用谐波驱动机构(包括驱动电机、谐波减速器和角度传感器合成的一体化产品)的公司,如美国波宇航公司、马克公司和斯塔尼公司等。例如,美国研制的Topex海洋卫星,其太阳翼驱动机构采用谐波减速器驱动方式;除此之外,铱星通信卫星的太阳翼驱动机构也采用了谐波减速器驱动方式。在铱星成功应用的基础上,美国的MOOG公司研制的55型双轴驱动机构,其单轴驱动系统是基于铱星的太阳翼驱动机构设计,驱动传动方案是“2相(或3相)步进电机+谐波齿轮”的驱动方案。此外,MOOG公司还为美国中继卫星专门研制了Type5型标准旋转组件的驱动机构。Type5型标准旋转组件的驱动传动方案采用“步进电机+谐波齿轮”,谐波减去器减速比为200∶1,电机步距角为1.5°,轴向承载力可以达到13400N,径向负载力可以达到16900N,负载惯量最大为545kg·m2,典型的为136kg·m2。目前,已经研发出了该型号的增强型产品。日本在其研制的空间飞行器上也大量采用了谐波驱动机构,尤其是20世纪90年代以后,日本研制的新型工程试验卫星(Kiku)系列、地球观测卫星(Midori)、数据中继卫星(KODAMA)等,都采用谐波驱动机构,以实现太阳翼展开和高精度天线指向功能。具体应用实例如下:(1)ADEOS地球物理观测卫星天线指向机构;(2)1998年2月发射升空的COM-ETS,其任务是为广播和通信新技术的开发提供一个平台,它的对地反馈天线精密调整指向机构以及星间链路天线驱动机构采用了谐波减速器驱动方式,同样由美国的MOOG公司研制。其中星间链路天线驱动机构的具体指标如下:采用了步进角为1.5°的步进电机+减速比为255∶1的谐波减速器的传动方案,位置检测采用MOOG公司研制的16位绝对式光学编码器进行角度测量。因此,跟踪分辨率为0.009°,负载可以达到210kg、250kg·m。德国谐波驱动公司和英国哈森技术公司相互合作,共同为欧盟空间项目提供高品质谐波减速器和谐波驱动机构。欧空局(ESA)发射的空间飞行器上大量采用了谐波减速器作为太阳翼展开机构、天线指向机构和空间机器人操作臂驱动组件,如ERS-1/2地球观测卫星上的重要组成部分,SAR天线的驱动机构以及太阳翼驱动机构和BEAGLE-2上的驱动机构。俄罗斯NPO-PM公司(列舍特涅夫应用力学科学研究生产联合体)为射线中继卫星Loutch(Luch)研制的天线驱动机构。机构采用“步进电机+谐波齿轮”的驱动传动方案,负载为展开式网状天线,载荷的转动惯量为10kg·m。欧美等航天大国除了在卫星或者飞船的天线驱动机构、定位指向机构以及空间扫描机构等空间机构上广泛应用了谐波减速器,还在空间太阳能帆板以及空间机械臂等空间机构的驱动与传动系统上进行了广泛的应用。图2是谐波减速器在空间天线指向机构及定位机构的应用实例35。此外,NASA于2009年发射的LunarReconnaissanceOrbiter(LRO)是美国空间探索和载人登月的一个里程碑。LRO搭载了大量用于月球便面环境分析的科学仪器。该卫星的太阳翼(SolarArraySystem,SAS)展开机构以及高增益天线(HighGainAntennaSystem,HGAS)的展开和驱动关节采用一个两轴的万向驱动机构实现,每个自由度的驱动采用相同的驱动和传动机构,其中传动机构采用谐波减速器,如图3所示135。通过两自由度的万向关节系统使得LRO的太阳翼始终指向太阳,从而获得足够的能量。同样,高增益天线的驱动机构主要是通信天线始终指向地球通信基站的方向,满足地球卫星通信的要求。为了提高两轴万向驱动机构的运动精度和指向精度,采用冗余的增量式位置编码器作为位置传感器实现位置测量,其中精度较高的位置编码器安装在驱动机构的输入端,而精度相对较低的位置编码器安装在万向驱动机构的输出端。三级高精度谐波减速器的应用,缩短了万向传动机构的传动链,从而提高了该传动机构的运动精度和定位指向精度;同一套两轴万向传动机构采用了两个商业电机进行冗余备份。空间卫星天线和太阳帆板指向机构,尤其是天线指向机构,需要长时间连续工作,且要保证较高精度的低速运动的平稳性和连续性,需要避免低速蠕动和爬行现象的产生。因此,应用于空间卫星天线指向机构的谐波减速器的设计、研制及空间应用是空间谐波减速器技术的难点。2.2新型机器人机械臂德国研发的机器人宇航员JUSTIN和空间机械臂ROKVISS,其机械臂关节均采用了谐波传动的方式如图4和图5所示,图5a和图5b分别为ROKVISS和JUSTIN机械臂的关节结构图,其中JUSTIN的机械臂采用了德国宇航局研发的轻型机械臂系统,其关节同样采用了谐波减速器作为传动系统。此外,日本于1997年发射升空的ETS-VII空间机器人系统也采用了谐波作为关节的减速装置;美国于2013年发射升空进入国际空间站的Robonaut2机器人宇航员,其机械臂也采用了谐波减速器作为传动系统,如图6所示。面向“机器人宇航员”概念,德国宇航中心(DLR)于2002年研制出的第三代轻型机械臂LWR-Ⅲ。该轻型臂具有7个转动自由度(旋转-俯仰-旋转-俯仰-旋转-俯仰-旋转),自重13.5kg,最大负载15kg,最大伸展长度为936mm,关节最大转速120(°)/s。轻型臂采用曲面造型,主体结构材料为碳纤维。关节采用了机电集成和模块化设计理念。该模块化关节内部集成有DLR-Robodrive直流无刷电机、HarmonicDrive谐波减速器和质量优化设计后的安全抱闸等零部件,关节内还集成有电源电路板、控制电路板以及传感器信号接口板。除了每个关节内部的电机位置传感器、关节位置传感器、关节力矩传感器外,轻型臂的腕部还安装有一个六维力/力矩传感器。LWR-Ⅲ采用电气内部中心孔走线,上下位机之间采用SERCOS高速串行通信总线。基于LWRⅢ,DLR于2007年研制了“机器人宇航员”的雏形———类人型机器人JUSTIN。2.3视觉系统设计人类第一次踏入火星的行星车勇气号和机遇号,在活动关节的传动系统中采用了谐波减速器。如图7所示,每台行星车中包含了19个谐波传动系统有限公司生产的谐波减速器。其中,行星探测设备展开机械臂IDD(InstrumentDeploymentDevice),它具有5个自由度,关节配置形式为旋转-俯仰-俯仰-俯仰-旋转。IDD具有伸展和折叠两种状态,完全伸展时长度约1m,末端定位精度小于±5mm,重复定位精度小于±4mm。该轻型臂自重4.2kg,末端有效负载约2kg,采用外部走线。IDD的基关节和肘关节如图8所示,关节内部集成了Maxon直流电机、制动器、行星减速器和HarmonicDrive谐波减速器。为降低轻型臂质量,并且使关节和轴承的热膨胀系数一致,IDD的关节外壳及内部轴系部件均采用钛合金6Al-4V制作,IDD至今仍正常工作,远远超出设计寿命。火星车的高增益天线万向节采用的结构设计如图9a所示,采用两套90°垂直安装的驱动系统。高增益天线安装在仰角驱动末端,仰角驱动和天线以悬臂梁的方式安装在方位角驱动机构上。这样的天线万向节结构设计不仅可以满足发射过程中天线结构在火星车上的封装要求,而且可以为天线的转动以及火星车的视觉系统提供足够的空间。此外,每套驱动系统的运动位置通过电机编码器进行监视,每套电机中还安装了电位计,以便在任务过程中的动力循环状态下提供位置判断。期望的方位角驱动转矩(启动转矩2.9N·m,工作转矩2.1N·m)要大于仰角驱动转矩(启动转矩1.3N·m,工作转矩0.6N·m),在设计过程中,两套电机的设计均按照期望的方位角驱动转矩要求进行设计。为了简化万向节的设计、分析、制造和装配,两套驱动系统采用相同的传动链设计,传动链主要包括减速电动机、正齿轮减速级以及谐波减速器组成,整个传动链的减速比为5424.7∶1。高增益天线的万向节驱动系统的剖视图如图9b所示。该高增益天线的万向节采用的谐波减速器是按照实际需求从谐波传动有限公司(HD)定制的空心轴谐波减速器,是基于HD公司成熟的标准化产品SHF14-50系列谐波减速器,根据安装及空间使用环境要求进行改进的,其减速比为50∶1。火星探测车选用谐波减速器的原因主要是基于谐波减速器的下述优点:(1)谐波减速器的中心孔设计,为RF的安装提供空间;(2)较小的体积可以获得较大的减速器比;(3)传动刚度足够高,不仅可以保证传动的精度需求,而且也能保证机构硬停机状态下,不会对齿轮系内部和外部硬件带来损害;(4)传动精度高(极小的传动回差和传动延滞以及较高的重复精度)。针对载人月球探索,JPL实验室正在研发第二代轮足复合是移动机器人月球车系统(Tri-ATHLETEVehicleSystem),主要是为了为载人月球登陆返回提供技术支持,如图10所示319。Tri-ATHLETE主要功能是搬运舱体以及为宇航员的机动提高支撑平台。Tri-ATHLETE系统通常由两个协作机器人月球车组成,可以独立操作同时也可以进行物理连接成一个整体实现对月球舱体的转运和操作。两个Tri-ATHELTE月球车系统具有相同的结构。月球车的腿部机构具有相同的机构,每条腿有6个关节,但仅采用了两种关节结构,其中Yaw和Pitch关节采用相同的设计方案,而Roll关节采用另外的设计方案。两种关节形式具有不同的减速比和转矩输出能力。每个关节都由无刷直流电机、掉电制动器和增量式编码器组成。其中,在月球车腿部的髋关节的偏航、膝关节的翻滚、踝关节俯仰以及踝关节的翻滚自由度采用的是低功率的无刷直流电机;而髋关节的俯仰、腿部俯仰、膝关节俯仰等自由度采用的是大功率直流无刷电机。采用上述两种电机降低了月球车系统对不同机械接口的需求必要性,并且增加了月球车腿部关节之间的互换性。根据关节的构型,每一个电机驱动系统均有一个减速比为40∶1或者81∶1的行星齿轮减速器,而行星齿轮减速器的输出端均有一个CSG型的谐波减速器作为关节的输出。采用直流无刷电机+掉电制动器+行星齿轮减速器+谐波减速器的关节结构形式,使得关节具有输出零回差,并且使得关节在具有较小质量构型的前提下具有较大的负载能力。关节的基本构型如图11所示,其中谐波减速器采用柔轮固定,刚轮输出的安装方式。因此,关节的电机、行星齿轮减速器本体和谐波减速器柔轮相对于传动链中的前1个关节而言是静止的,谐波减速器的波发生器与行星减速器的输出端采用渐开线花键进行连接。为了减小质量,不采用作为谐波减速器部件中的标准件的滑块联轴器。渐开线花键轴联轴器直接采用6个螺栓与波发生器连接。采用这样的连接方式,不仅可以减小关节的质量,而且可以提高连接的位置精度和装配同轴度,从而以保证行星齿轮减速器输出轴和谐波发射器之间的同轴度。此外,在行星减速器的输出端采用一个非标准轴承来承载谐波减速器波发生器产生的推力载荷。谐波减速器的刚轮作为关节传动系统的输出与一个薄壁输出轴相连,为了提高关节的承载能力,关节两端采用两个薄壁轴承作为输出轴承支撑。此外,在火星车的采样机构中也大量使用了谐波减速器作为采用机构的传动系统。目前,最先进的火星车是2011年发射并于2013年进入火星表面展开火星探测任务的火星实验室(MSL-MarsScienceLaboratory)。MSL搭载了大量的采样分析系统,主要是为了分析火星过去、现在以及未来的人类宜居性。因此,MSL搭载了一个名为火星采样分析(SAM-SampleA-nalysisatMars)的仪器,该设备有NASA加德纳航天中心提供,该设备主要由气相色谱质谱仪,Quadropole质谱仪以及可调谐激光谱仪组成。所有的大气样本和土壤样本均可以采用SAM进行分析,SAM结构如图12所示304。SAM的样本操作系统(SMS-SampleManipulationSystem)主要用于土壤样品采样过程中,储存和操作样品杯。样本操作系统是第一代使用系统,主要负责将样品从采样的入口装置转运到热解炉,从而实现样本的热解和气体析出,并使得处理的样本垂直落下进入到分析区。74个样品杯分为两组排列在SMS的旋转输送带上。在扩展试验情况下,样品杯可以重复利用。一旦样品杯被插入到热解炉中,SMS施加一个预定的力从而在样品杯与热解炉内部之间形成密封。SAM谱仪的敏感度要求SMS非常清洁,以便不污染火星样品从而产生假阳性。图13是SMS的中心轮毂的驱动器(Centerhubactuator),主要由霍尔整流无刷电机、减速比为25∶1的行星齿轮减速器以及减速比为100∶1的杯式谐波减速器组成306。谐波减速器的输出转速为2r/min,最大连续输出力矩为3.4N·m。旋转输送带的传动电机通过电机控制板进行电流限制从而使其输出转矩不超过输出力矩限制。中心轮毂驱动器在减速比为25∶1的行星齿轮减速输出端的实际工作转矩仅为0.05N·m,因此在操作过程中外载荷不明显。在谐波减速器的输出端安装有一对采用面对面构型成对使用的角接触轴承。在中心轮毂横撑臂的接口处安装有一个Conrad轴承。上述轴承承载了发射过程中系统70%的质量306。2.4国内谐波传动技术国内对谐波减速器的研究始于1961年,目前比较成熟的研究和生产单位有燕山大学、北方精密机械研究所、西北工业大学、北京工商大学、大连理工大学、长春光学精密机械与物理研究所、北京中技克美公司以及北京谐波传动技术研究所。中技克美公司一直高度重视技术创新,自1994年开始通过联合攻关和集成创新,为“神舟号”系列飞船太阳能帆板驱动机构研制先进的自润滑谐波传动减速器,并且圆满地完成了“神舟”系列飞船的飞行任务。中技克美公司成功研制出XBS短筒柔轮、XB6翻边柔轮等,在中国的“神舟六号”飞船上,中技克美公司为飞船太阳能帆板驱动机构提供了世界领先技术的全固体润滑谐波传动减速器,为“神舟六号”温控阀和百叶箱提供了两个型号的谐波传动减速器,保证了“神舟六号”飞船发射的圆满成功此外,中技克美还拓展了谐波传动技术在我国多种卫星型号中的应用,如“天链1号卫星”、风云3号卫星、通信卫星、侦察卫星等。如图14所示的玉兔号月球车的移动平台、机械臂系统等机构中采用了大量的谐波减速器,玉兔号已经圆满完成既定任务,成为中国第一个漫步月球的航天器。2.5谐波微生物机构综上所述,谐波减速器以其体积小、结构紧凑、减速比大、抗冲击能力强、传动精度高以及便于空间机构内部走线等优点,在空间机构上获得广泛的应用。谐波减速器的空间应用,目前存在的主要问题是谐波减速器在高低温、大温差、热真空和强辐射的太空环境下的使用寿命短、传动可靠性和传动效率低等缺点,限制了谐波减速器在空间传动机构中的应用。从谐波减速器因空间机构应用而诞生开始,各国航天工作者都在致力于从谐波减速器的材料、制造工艺以及润滑等多方面解决谐波减速器空间应用所存在的问题。表1中为目前国际上通用的空间谐波减速器制造材料及润滑方式。其中Nitronic60是一种具有优异的耐腐蚀、抗磨蚀、抗高温氧化以及抗咬死性能的高强度铬-镍-锰-氮奥氏体不锈钢合金,其对应的国内牌号为0Cr17Ni9Mn8SiN。3波形减速的发展趋势和关键技术3.1谐波传动技术研究的发展趋势谐波减速器起源于空间机构对结构紧凑、质量轻、传动效率高且传动精度高的高性能减速器的需求,而随着航天技术和工业机器人的快速发展,对谐波减速器的体积和质量等参数也提出了越来越高的要求。因此,谐波减速器的主要发展方向和研究重点有下述几个方面:(1)新齿形谐波减速器及啮合动力学。新齿形谐波减速器的设计及啮合动力学研究,主要通过齿形优化和啮合动力学的综合研究,以达到增加同时啮合齿数和传动刚度的目的。目前主要是借助计算机和虚拟样机技术的发展,采用有限元等工具,基于结构拓扑优化设计对现有的渐开线和双圆弧齿形进行优化,从而找出啮合性能优异的谐波传动齿形设计。(2)高传动精度及刚度。具有较高的传动精度和传动刚度,超低速下谐波减速器的传动的均一性和稳定性,降低超低速、重载工况下的谐波减速器的柔轮蠕动特性。提高谐波减速器的传动精度,主要是从谐波的传动原理,以及纯运动学误差和柔轮固有的柔性入手,采用先进的制造和装配工艺技术实现高精度谐波减速器的制造。此外,还结合反馈控制等思想来建立谐波传动误差的补偿方法,采取主动控制的误差补偿方式来进一步提高谐波传动的精度。影响谐波的刚度主要是谐波的传动特性决定的,即取决于谐波减速器构型设计、齿形设计、材料以及尺寸等参数,因此,目前主要从啮合特性以及柔轮设计制造等角度入手,改善谐波减速器的刚度特性。(3)高传动效率。绿色制造对节能减排的要求,从而使得高效成为目前工业机器人以及装备制造的重要指标。因此,高传动效率的谐波减速器是谐波传动的研究趋势。传动效率的提高除了谐波传动本身不可克服的因素外,润滑是影响谐波减速器的另一个主要因素。(4)结构紧凑的小体积、小质量短筒柔轮谐波减速器。柔轮是谐波减速器中的核心,也是制造难度最大的零件,同时柔轮的结构尺寸也决定了谐波减速器的长度和质量等参数。因此,短筒柔轮谐波减速器的设计是目前谐波减速器设计的主要趋势。由于空间机器人、空间机构传动系统以及医疗机器人的快速发展,其活动关节对结构紧凑、体积小、质量轻的减速器的要求不断提高。而谐波减速器的柔轮制约谐波小型化和轻量化的主要因素,尤其是柔轮的轴向长度对谐波的体积和质量影响较大。主要通过柔轮形状优化、特种材料等多种先进技术的应用,从而达到减小谐波尺寸的同时,使谐波减速器的刚度、精度以及寿命等重要指标得到提升。(5)驱动、传动和传感器一体化的谐波传动结构设计。为了提高驱动、传动系统以及传感器系统的模块化和集成度,以减小中间环节对谐波减速器刚度、精度和传动效率等指标的影响,同时进一步减小谐波减速器的质量和体积,增加驱动和传动系统的结构紧凑性。因此,研发集驱动、传动和传感器于一体的一体化谐波减速器设计,将满足空间机器人、空间机构传动系统以及医疗机器人对体积小、质量轻且传动效高的模块化驱动系统的要求。(6)长使用寿命、高可靠性的谐波减速器的研制。长使用寿命谐波减速器的研制可以扩大其在工业方面的应用范围,尤其是在空间应用上,随着空间技术的不断发展,卫星、空间站以及行星探测等飞行器的使用频率将不断增加,因此对长寿命、高可靠性的谐波减速器的需求将不断增加。因此,空间高精度谐波减速器在空间高低温、高真空、高辐射环境下的工作性能及工作寿命。尤其是针对深空探测卫星的太阳翼展开机构、定位指向机构,深空的超低温对谐波减速器的应用是一个巨大的挑战。3.2空间谐波铁路单目标优化设计方法空间是一个多场耦合的复杂环境,经过前期空间对机构、月球车以及卫星天线指向机构、精确定位指向机构等空间机构的研发经验,对空间机构影响较大的因素是空间高低温大温差以及高真空环境,尤其对减速器等活动构件而言,高低温以及真空环境对活动构件的润滑、使用寿命以及空间使用性能的稳定性和可靠性影响较大。因此,研制满足空间环境且能在轨按照预定寿命、高稳定性和可靠性的高精度谐波减速器,并形成一套切实可行的空间谐波减速器的设计、制造和测试的研制方法是本课题的主要研究内容。(1)空间谐波减速器的设计分析。主要对谐波减速器的传动原理与结构组成、齿形分析与综合、齿廓微量修形方法、轮齿啮合动力学、轮齿啮合受力分析与强度校核以及柔轮结构等关键结构问题进行深入的研究和分析,并建立相关问题的数学模型;此外,针对高精度、高刚度等高性能要求,建立谐波减速器的传动精度分析与公差设计、传动刚度计算及传动效率分析等核心性能指标的理论数学模型。以数学模型为基础,全面系统的分析谐波减速器的传动结构、齿形参数、结构参数以及零部件的公差分配对减速器的传动精度、传动效率及扭转刚度等性能指标的影响权重,从而根据不同的性能指标要求,有针对性的进行谐波减速器的系列化设计。(2)空间谐波减速器的多目标优化设计方法。基于谐波减速器设计技术的解析结果,并结合前述数学模型的理论分析结果,结合粒子群多目标优化算法,以结构参数、齿形参数等作为设计变量,以传动精度、传动效率和传动刚度以及工作寿命等核心性能指标作为目标变量,建立谐波减速器的多目标优化数学模型,从而实施谐波减速器的多目标优化研究,建立谐波减速器优化设计方法。基于现有的工业级谐波减速器的构型设计,优化空间谐波减速器的构型设计从而进一步降低谐波减速器的质量和体积,满足空间对谐波轻质紧凑的需求;同时通过谐波的优化设计提高谐波减速器对空间环境的适应性。(3)空间谐波减速器刚轮、柔轮新材料的研制技术。由于柔轮是谐波传动中最核心也是加工制造难度最大的结构,同时柔轮的结构尺寸也决定了谐波减速器的长度和质量等参数。因此,采用具有足够柔性和韧性,且耐磨损的新型材料的研制,以及提高柔轮寿命和强度、韧性等基本性能参数的材料热处理和表面处理工艺的研究。(4)谐波减速器制造工艺技术研究。基于谐波减速器工艺剖析结果,开展谐波减速器柔轮、刚轮波发生器的高精度制造工艺研究,从而从制造端进一步辅助谐波减速器设计技术,提高谐波减速器的传动精度、刚度、效率以及小回差等关键性能。此外,采用。重点研究谐波减速器柔轮的高效率高精度加工工艺,优选工艺参数,制定工艺