基于温控形状记忆合金的被动柔性变刚度关节研究
发布时间：2020-12-28 16:47
柔性变刚度指的是可以独立在系统输出端外柔性地对系统刚度进行改变,从而改变系统环境的一种适应能力,在安全人机交互的研究构建上优势巨显。被动柔性变刚度关节一般是对系统中机械弹性元件进行结构特性上的调节,以此来达到改变关节的刚度特性目的,得到了国内外学者的广泛关注。本文致力于探索温控形状记忆合金在被动柔性变刚度系统应用的可行性,结合串联弹性执行器(SEA)实现直线式被动刚度调节,通过温控形状记忆合金弹性体的温度控制进行了关节的刚度控制,探索了温控形状记忆合金在被动柔性变刚度系统应用的可行性。主要研究内容如下:首先,分析了柔性执行器的功能需求,提出了基于温控形状记忆合金的变刚度关节设计方案,制作了试验样机,对关节构成部件进行了设计与选型,对关节的刚度调节范围及变刚度方式进行了阐述。其次,设计了关节输出位置闭环控制器,构建了关节动力学模型,获得了变刚度关节电机电压输入—关节位置输出之间的传递函数;实现了变刚度执行器末端位置闭环控制;基于Matlab/Simulink仿真平台进行了变刚度关节系统模糊PID位置控制器仿真分析。再次,基于被动变刚度关节闭环控制器的需求,对驱动系统进行了硬件配置,搭建了...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１下肢外骨骼机器人典型应用领域??随着近年来我国经济发展脚步的不断前进，社会医疗和保障也在不断完??善，人民生活水平有了质的飞跃
第１章绪论??（ａ）?ＤＬＲ?（ｂ）?ｉＣｕｂ?（ｃ）?Ｋｅｎｓｈｉｒｏ??图１－２典型的可变刚度机器人??１．２．１主动变刚度原理综述??主动变刚度往往是通过力－位复合控制及阻抗调节等算法，完成关节刚??度的改变ｔｌ５－１８］，执行器刚度不仅可实现恒定值，通过设计相应的刚度控制算??法，可实现任意刚度调节，如幂指数、对数、滞回，甚至非对称刚度等特性。??１９８０年，斯坦福大学Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ等［１９】首次探索了机器人主动变刚度调节??方法，可沿机器人末端执行器运动轨迹对输出力控制，防止装配时受外部因??素的干扰，减少因摩擦力带来的负面影响。ＳＣｈｕｔｔｅｒｌ２Ｇ］随后设计了初期的主??动柔性调节方法，可有效协调控制机器人速度和输出力，但对位置控制的精??度不高。２０１２年，来自意大利理工大学的研究团队Ｉ２１］研发了如图１－３所示??的新型液压外骨骼机器人平台ＨｙＱ，其采用电机和液压混合驱动，ＨｙＱ内??嵌的控制器和传感器可完成虚拟线性无阻尼弹簧和指数型场阻尼弹簧特性??等阻抗特性的表现，采取有效的逆运动学控制策略，对不同环境下的各种任??务均有一定的动态可适应性；ＨｙＱ具有较高的功率质量比，可适应性的完成??不同环境内的多种任务，但是ＨｙＱ存在如运动时能耗严重，能量的可利用??率较低，以及轨迹跟踪非线性迟滞等问题。??图Ｎ３液压外骨骼ＨｙＱ??３??
等方面??的制约，导致执行器在碰撞时无法迅速反应，这使得驱动器和人身安全很难??确保；在运行过程中能量消耗过程也同时存在和进行，这对于外骨骼机器人??有限的能量储备来讲是极为致命的缺陷［２２］。为解决此类问题，驱动器通常应??具有一定程度的储能特性，为此研究焦点逐渐转向被动变刚度执行器。??１．２．２被动变刚度原理综述??被动柔性变刚度驱动的关键是通过变刚度弹性元件的刚度变化特性调??节关节的整体刚度，需要在传统刚性驱动的环节与输出环节之间置入变刚度??弹性元件。被动变刚度原理如图１－４所示。被动变刚度提高了机器人的环境??适应性，具有重要的研宄价值。随着人一机交互技术的出现和进步，被动变??刚度由于能够在连续调节关节阻抗特性，从而满足多种需求，其发展也突飞??猛进。??Ｈ?ｈ?ｎ??Ｌ＿．Ｊ?—?：?￣＾Ｔ??Ｍｏｔｏｒ?Ｃ????图１－４被动变刚度原理??１．２．２．１基于串联弹性驱动器的被动柔性变刚度关节??为实现关节柔性，串联弹性驱动器（Ｓｅｒｉｅｓ?Ｅｌａｓｔｉｃ?Ａｃｔｕａｔｏｒ，?ＳＥＡ）丨２３－２７］??具有构造相对简单、控制精准较高等有点，因此是最常用的一种方式。如图??１－５所示，ＳＥＡ将弹簧置于传动链末端，因此系统整体刚度由弹簧刚度确定。??不同的弹簧刚度对应不同的系统柔性，但在关节工作的进程中柔性无法调节。??因此，研宄者把弹簧压缩量或压缩量等信息用作力传感器，控制器则参考传??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]红外探测用无铅铁电陶瓷的热释电特性研究进展[J]. 郭少波,闫世光,曹菲,姚春华,王根水,董显林. 物理学报. 2020(12)
[2](1–x)K0.5Na0.5NbO3-xBi(Mg0.5Ti0.5)O3无铅弛豫铁电陶瓷的介电、铁电和高储能行为[J]. 杜金花,李雍,孙宁宁,赵烨,郝喜红. 物理学报. 2020(12)
[3]超磁致伸缩驱动器及其微位移特性研究[J]. 成玫,邱冶,刘旭辉,简震,丁志娟,张远方. 机床与液压. 2020(08)
[4]我国社会医疗保障制度的应急困境与完善路径——基于突发公共卫生事件的思考[J]. 王莉. 江汉论坛. 2020(03)
[5]解析医疗保险市级统筹现状分析及对策[J]. 周丽. 人力资源. 2020(04)
[6]模糊PID控制的桁架机器人轨迹规划研究[J]. 丁鑫,张锁怀,祝梦洁,陈亚楠. 机床与液压. 2020(03)
[7]下肢康复外骨骼机器人模糊PID控制研究与仿真[J]. 程思远,陈广锋. 测控技术. 2019(12)
[8]全方位移动机器人模糊PID运动控制初探[J]. 常超. 现代制造技术与装备. 2019(12)
[9]采用改进模糊神经网络PID控制的移动机器人运动误差研究[J]. 许洋洋,王莹,薛东彬. 中国工程机械学报. 2019(06)
[10]采用模糊免疫PID控制的移动机器人避障误差仿真研究[J]. 吕雪,牛海侠. 井冈山大学学报(自然科学版). 2019(06)
博士论文
[1]下肢外骨骼机器人动态稳定特性研究[D]. 郑义.山东科技大学 2019
[2]下肢助力外骨骼机器人研究[D]. 张超.哈尔滨工业大学 2016
[3]基于气动肌肉纤维的主动变形蒙皮结构性能研究[D]. 冯宁.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]基于模糊PID的快递存取装置存取速度控制的研究[D]. 陈林松.浙江科技学院 2019
[2]外骨骼上肢康复机器人肩胛带联动机构及康复臂的结构设计[D]. 汪彦慧.青岛大学 2019
[3]四旋翼无人机模糊PID姿态控制研究[D]. 付岩果.浙江海洋大学 2019
[4]变刚度机器人关节模块研究与开发[D]. 赵波.广东工业大学 2019
[5]一种变刚度柔性手爪的设计及实验验证[D]. 徐威铭.哈尔滨工业大学 2018
[6]基于SMA的仿人腕关节变刚度驱动机构理论与控制研究[D]. 孔诚.武汉理工大学 2018
[7]基于人体能量流动特性的外骨骼低能耗驱动关节的研究[D]. 郑超.哈尔滨工业大学 2016
[8]基于变刚度主动柔性关节的四足机器人稳定运动控制研究[D]. 吕鑫.河北工业大学 2016
[9]轻型机械臂柔性关节设计与实验研究[D]. 夏严峰.哈尔滨工业大学 2014
[10]变刚度柔性关节的动态刚度辨识和控制方法研究[D]. 孟西闻.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：2944076
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１下肢外骨骼机器人典型应用领域??随着近年来我国经济发展脚步的不断前进，社会医疗和保障也在不断完??善，人民生活水平有了质的飞跃
第１章绪论??（ａ）?ＤＬＲ?（ｂ）?ｉＣｕｂ?（ｃ）?Ｋｅｎｓｈｉｒｏ??图１－２典型的可变刚度机器人??１．２．１主动变刚度原理综述??主动变刚度往往是通过力－位复合控制及阻抗调节等算法，完成关节刚??度的改变ｔｌ５－１８］，执行器刚度不仅可实现恒定值，通过设计相应的刚度控制算??法，可实现任意刚度调节，如幂指数、对数、滞回，甚至非对称刚度等特性。??１９８０年，斯坦福大学Ｓａｌｉｓｂｕｒｙ等［１９】首次探索了机器人主动变刚度调节??方法，可沿机器人末端执行器运动轨迹对输出力控制，防止装配时受外部因??素的干扰，减少因摩擦力带来的负面影响。ＳＣｈｕｔｔｅｒｌ２Ｇ］随后设计了初期的主??动柔性调节方法，可有效协调控制机器人速度和输出力，但对位置控制的精??度不高。２０１２年，来自意大利理工大学的研究团队Ｉ２１］研发了如图１－３所示??的新型液压外骨骼机器人平台ＨｙＱ，其采用电机和液压混合驱动，ＨｙＱ内??嵌的控制器和传感器可完成虚拟线性无阻尼弹簧和指数型场阻尼弹簧特性??等阻抗特性的表现，采取有效的逆运动学控制策略，对不同环境下的各种任??务均有一定的动态可适应性；ＨｙＱ具有较高的功率质量比，可适应性的完成??不同环境内的多种任务，但是ＨｙＱ存在如运动时能耗严重，能量的可利用??率较低，以及轨迹跟踪非线性迟滞等问题。??图Ｎ３液压外骨骼ＨｙＱ??３??
等方面??的制约，导致执行器在碰撞时无法迅速反应，这使得驱动器和人身安全很难??确保；在运行过程中能量消耗过程也同时存在和进行，这对于外骨骼机器人??有限的能量储备来讲是极为致命的缺陷［２２］。为解决此类问题，驱动器通常应??具有一定程度的储能特性，为此研究焦点逐渐转向被动变刚度执行器。??１．２．２被动变刚度原理综述??被动柔性变刚度驱动的关键是通过变刚度弹性元件的刚度变化特性调??节关节的整体刚度，需要在传统刚性驱动的环节与输出环节之间置入变刚度??弹性元件。被动变刚度原理如图１－４所示。被动变刚度提高了机器人的环境??适应性，具有重要的研宄价值。随着人一机交互技术的出现和进步，被动变??刚度由于能够在连续调节关节阻抗特性，从而满足多种需求，其发展也突飞??猛进。??Ｈ?ｈ?ｎ??Ｌ＿．Ｊ?—?：?￣＾Ｔ??Ｍｏｔｏｒ?Ｃ????图１－４被动变刚度原理??１．２．２．１基于串联弹性驱动器的被动柔性变刚度关节??为实现关节柔性，串联弹性驱动器（Ｓｅｒｉｅｓ?Ｅｌａｓｔｉｃ?Ａｃｔｕａｔｏｒ，?ＳＥＡ）丨２３－２７］??具有构造相对简单、控制精准较高等有点，因此是最常用的一种方式。如图??１－５所示，ＳＥＡ将弹簧置于传动链末端，因此系统整体刚度由弹簧刚度确定。??不同的弹簧刚度对应不同的系统柔性，但在关节工作的进程中柔性无法调节。??因此，研宄者把弹簧压缩量或压缩量等信息用作力传感器，控制器则参考传??４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]红外探测用无铅铁电陶瓷的热释电特性研究进展[J]. 郭少波,闫世光,曹菲,姚春华,王根水,董显林. 物理学报. 2020(12)
[2](1–x)K0.5Na0.5NbO3-xBi(Mg0.5Ti0.5)O3无铅弛豫铁电陶瓷的介电、铁电和高储能行为[J]. 杜金花,李雍,孙宁宁,赵烨,郝喜红. 物理学报. 2020(12)
[3]超磁致伸缩驱动器及其微位移特性研究[J]. 成玫,邱冶,刘旭辉,简震,丁志娟,张远方. 机床与液压. 2020(08)
[4]我国社会医疗保障制度的应急困境与完善路径——基于突发公共卫生事件的思考[J]. 王莉. 江汉论坛. 2020(03)
[5]解析医疗保险市级统筹现状分析及对策[J]. 周丽. 人力资源. 2020(04)
[6]模糊PID控制的桁架机器人轨迹规划研究[J]. 丁鑫,张锁怀,祝梦洁,陈亚楠. 机床与液压. 2020(03)
[7]下肢康复外骨骼机器人模糊PID控制研究与仿真[J]. 程思远,陈广锋. 测控技术. 2019(12)
[8]全方位移动机器人模糊PID运动控制初探[J]. 常超. 现代制造技术与装备. 2019(12)
[9]采用改进模糊神经网络PID控制的移动机器人运动误差研究[J]. 许洋洋,王莹,薛东彬. 中国工程机械学报. 2019(06)
[10]采用模糊免疫PID控制的移动机器人避障误差仿真研究[J]. 吕雪,牛海侠. 井冈山大学学报(自然科学版). 2019(06)
博士论文
[1]下肢外骨骼机器人动态稳定特性研究[D]. 郑义.山东科技大学 2019
[2]下肢助力外骨骼机器人研究[D]. 张超.哈尔滨工业大学 2016
[3]基于气动肌肉纤维的主动变形蒙皮结构性能研究[D]. 冯宁.哈尔滨工业大学 2016
硕士论文
[1]基于模糊PID的快递存取装置存取速度控制的研究[D]. 陈林松.浙江科技学院 2019
[2]外骨骼上肢康复机器人肩胛带联动机构及康复臂的结构设计[D]. 汪彦慧.青岛大学 2019
[3]四旋翼无人机模糊PID姿态控制研究[D]. 付岩果.浙江海洋大学 2019
[4]变刚度机器人关节模块研究与开发[D]. 赵波.广东工业大学 2019
[5]一种变刚度柔性手爪的设计及实验验证[D]. 徐威铭.哈尔滨工业大学 2018
[6]基于SMA的仿人腕关节变刚度驱动机构理论与控制研究[D]. 孔诚.武汉理工大学 2018
[7]基于人体能量流动特性的外骨骼低能耗驱动关节的研究[D]. 郑超.哈尔滨工业大学 2016
[8]基于变刚度主动柔性关节的四足机器人稳定运动控制研究[D]. 吕鑫.河北工业大学 2016
[9]轻型机械臂柔性关节设计与实验研究[D]. 夏严峰.哈尔滨工业大学 2014
[10]变刚度柔性关节的动态刚度辨识和控制方法研究[D]. 孟西闻.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：2944076
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