基于磁流变液的柔顺关节及其控制研究

发布时间：2020-10-28 18:03

　　 随着机器人技术向生产生活各个应用领域的快速、深度延伸,传统的刚性、独立运行工业机器人难以胜任,协作型机器人的研究与开发应运而生。特别是在装配、打磨抛光、易损或柔性对象抓持与操作等力位混合控制或力/力矩保持作业任务中,需要对力和位置进行协同控制。而当前协作型机器人的研究大多基于传统工业机械臂配合多种高精度传感器及先进的柔顺控制算法来实现,对系统建模精度和控制算法的准确性和适用性提出了极高的挑战,虽然众多研究人员和企业科技人员投入研发,也尚未满足协作型机器人使用过程中的顺应性和安全性需求。为实现机器人协作过程的顺应性和安全性,研发具有内在柔顺性,即具有刚度主动可调特性的柔性机器人是一种更为直接思路,能够从根本上解决机器人的安全性问题。针对此目标,本文提出研究一种新型的机器人磁流变液柔顺关节,该关节将磁流变液作为传动部件的一个重要组成部分,利用其区间连续可控传动特性实现机器人关节的位置和力矩的混合控制,使得机器人关节具有内在的安全性和柔顺性。将磁流变液应用于机器人关节的基本问题之一是建立其剪切传动的流变模型。论文详细介绍并分析了Bingham Plastic模型、Herschel-Bulkley模型、Casson模型及这些模型的组合模型,针对机器人关节的柔顺性需求,结合磁流变液剪切的预运动/微动特性、剪切致稀特性和恒转矩传动特性,提出了磁流变液的分段式全域剪切应力模型,该数学模型是磁流变液柔顺关节运动、动力特性分析以及控制研究的基础。设计了基于磁流变液的柔顺关节结构,详细分析了其核心柔顺机构磁流变液柔顺耦合器的结构设计和磁路设计,以及电磁学特征、温漂特性,建立了电流与磁感应强度之间的解析模型,即I-B模型。提出了耦合刚度概念,并基于I-B模型建立了耦合刚度模型。基于耦合刚度概念定义了磁流变液柔顺关节的传动刚度,为机器人柔顺关节及基于此关节的柔性机械臂的变刚度控制及刚度约束提供了结构和模型基础。基于I-B模型分析了磁流变液柔顺关节耦合器的力矩耦合关系和位置耦合关系,建立了其力矩耦合模型和位置耦合模型。对机器人柔顺作业过程进行了分析,将其分为自由空间和约束空间两种不同阶段,进一步明确上述两个阶段内机器人关节控制的约束条件与需求。提出当磁流变液柔顺关节工作在自由空间时,其内部磁流变液处于同步传动阶段;当磁流变液柔顺关节工作在约束空间时,其内部磁流变液处于屈服阶段,通过主动调节耦合刚度进行传动刚度调控。针对磁流变液柔顺关节的分段运动特性与控制要求,提出了一种主动柔顺双环控制策略,包括位置控制环和力矩控制环。位置控制环进行目标位置的跟踪控制,力矩控制环进行基于耦合刚度约束的输出力矩控制,位置控制环和力矩控制环之间则利用阻抗模型将位置变化变换为力矩约束修正量。采用模糊自适应整定PID控制算法进行耦合位置控制,提出了基于有约束模型预测控制的磁流变液关节耦合力矩控制算法。对全域剪切应力模型、力矩耦合模型及基于MPC控制算法耦合力矩控制分别进行了仿真分析。搭建了基于磁流变液柔顺关节耦合器实验样机系统,分别进行了磁流变液柔顺关节耦合器耦合性能实验和耦合力矩闭环控制实验。本文针对机器人应用中对柔顺性和安全性的迫切需求,从机器人本体安全性角度出发,充分发掘磁流变液材料的流变特性和多模式传统特性,提出研究了基于磁流变液的机器人柔顺关节,建立了该关节的基本模型,提出了有效的可变刚度和力矩输出控制策略与算法。本文的研究工作为新型主动可变刚度柔性机械臂研究提供了一个新的思路和实现方法。
【学位单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

第 1 章 绪 论磁流变液提出了一种新型的机器人柔顺关节，金青年项目 磁流变液柔顺关节固液界面预运编号：51605434，起止日期：2017 年 1 月-2019金项目 面向低压电器制造业的机器人柔性装212，起止日期：2016 年 1 月-2019 年 12 月）的意义发展，机器人的应用范围已慢慢扩展到了生产，机械臂的应用已经随处可见，在一些无人车象，取而代之的是一台台关在 笼子 里或者无

.2 研究的背景和意义随着机器人技术的发展，机器人的应用范围已慢慢扩展到了生产、生活的很多方面。其是在工业生产方面，机械臂的应用已经随处可见，在一些无人车间里，已经完全没了昔日人头攒动的景象，取而代之的是一台台关在 笼子 里或者无人车间里忙碌的机臂，如图 1-1 所示。图 1-1 机械臂忙碌工作的无人车间不过，仍有许多工业领域在 机器换人 方面进展缓慢，比如低压电器制造业，尤其在低压电器产品的装配环节，操作对象的种类繁多、尺寸小、形状多样化、操作环境结构化，给 机器人换人 带来了诸多挑战，如图 1-2 所示。

图 1- 3 机器人与人协同工作[4-5]人机协作共同完成装配作业任务时，一方面要充分保证协作对象的安全，人要频繁接触甚至肢体交叉互动，保障人体自身安全是协作机器人应用的前提要保证与之协作的人身有绝对的安全保障，另一方面要充分保证操作对象的装配过程中完成推、压等接触力跟踪作业任务时，要能够将接触力约束在合，充分保证接触力跟踪的可靠性，防止因接触力过大而造成操作对象损坏。不仅如此，在农业领域，蔬果、蛋品等的采摘、分拣、包装工作仍然依靠大动来完成，随着机器人技术的发展，协作机器人在农业领域的应用必将大放务机器人领域，尤其是理疗按摩、助老助残、家庭生活辅助等方面，协作机空间也十分广阔。这些应用场景同样需要机器人具备充足的协作对象安全性安全性。根据国际机器人联合会的统计和预测，仅 2015 年即有 370 万台个务机器人销售，而 2016 年-2019 年这一数字将总计达到 3080 万台[6]。由此机器人拥有非常广阔的市场前景和巨大的刚性需求，为市场提供具有本质安人产品成为广大科研工作者孜孜以求的目标。传统关节型机器人依靠高刚度的传动结构设计和高位置精度的控制器设计，
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本文编号：2860421