可变刚度柔性机械臂关节的设计与研究
发布时间：2021-01-12 06:30
近些年来,随着机器人技术的不断进步,机器人的应用领域越来越广泛,已从传统的工业领域逐渐渗透到服务和家用等领域。在这些领域,机器人与人的交互越来越频繁,而且机器人的工作环境多重多样,复杂多变,这对机器人的性能提出了更加苛刻的要求。柔性变刚度关节由于具有较好的环境适应性,较高的负载自重比,良好的缓冲性能,有助于提升人机交互的安全性能,改善能量的利用率等特点,近年来受到了越来越多学者的关注,并逐渐成为机器人领域的研究热点。本文从关节变刚度原理出发,设计一款可变刚度柔性机械臂关节,并开展了以下几方面的工作:（1）设计变刚度关节的机械结构。首先确定关节的设计指标,提出一种基于板簧、弹簧的变刚度原理,并对关节刚度进行理论计算,对中间传动机构进行选型分析,包括各个零部件的选型分析,关键元件的详细设计分析,最终绘制关节的三维模型;最后,从理论分析的角度,分析关节的刚度变化范围。（2）建立关节的动力学模型。由于变刚度关节和串联弹性驱动器具有一定的相似性,因此,首先归纳总结了串联弹性驱动器的常用动力学模型;深入研究关节建模时需要考虑的因素,建立了较为完善的变刚度关节动力学模型并通过Simulink仿真分析...
【文章来源】：沈阳建筑大学辽宁省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－３意大利比萨大学的变刚度执行器（ＶＳＡ）??
进而得到非线性的输入输出关系。相比于第一代ＶＳＡ，该设计有更大的变刚度范围和更清??晰的参数优化模型。??图１－４?ＶＳＡ－ｎ结构原理??Ｆｉｇ．?１－４?ＶＳＡ－ＩＩ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ??德国宇航中心（ＤＬＲ）将一种新型变刚度设计（ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ）［５］运用到柔性机械臂关节中，??针对机器人于环境交互的安全问题，设计和研发了这类关节，如图１－５所示。关节电机与??谐波减速器相连，柔轮作为输出端，刚度调节电机与刚轮相连。由上方端盖对弹簧提前预??紧，通过刚度电机调节凸轮盘，使得关节变形，弹簧的压缩量变化，关节的刚度得到改变，??通过改变凸轮的曲面形状可以得到不同刚度特性的关节。??Ｔ＝＝ａ１?？??图１－５?ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ试验样机??Ｆｉｇ．?１－５?ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ?ｔｅｓｔ?ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ??在ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ的基础上，德国宇航中心（ＤＬＲ）又研制了?ＦＳＪ?（Ｆｌｏａｔｉｎｇ?Ｓｐｒｉｎｇ?Ｊｏｉｎｔ）关??节［６］。ＦＳＪ关节是采用线性弹簧与凸轮盘结合的方式实现变刚度的，凸轮盘滑槽间隙内固??定有可以沿滑槽滑动的滚轮。当向输入端施加扭矩的时候，由于弹簧和滚轮滑槽的作用两??凸轮盘发生相对旋转且在轴向方向上相对分离。利用刚度调节电机调节滑槽中凸轮的位置??改变两凸轮盘间距即改变了弹簧的预紧力
Ｆｉｇ．?１－４?ＶＳＡ－ＩＩ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ??德国宇航中心（ＤＬＲ）将一种新型变刚度设计（ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ）［５］运用到柔性机械臂关节中，??针对机器人于环境交互的安全问题，设计和研发了这类关节，如图１－５所示。关节电机与??谐波减速器相连，柔轮作为输出端，刚度调节电机与刚轮相连。由上方端盖对弹簧提前预??紧，通过刚度电机调节凸轮盘，使得关节变形，弹簧的压缩量变化，关节的刚度得到改变，??通过改变凸轮的曲面形状可以得到不同刚度特性的关节。??Ｔ＝＝ａ１?？??图１－５?ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ试验样机??Ｆｉｇ．?１－５?ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ?ｔｅｓｔ?ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ??在ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ的基础上，德国宇航中心（ＤＬＲ）又研制了?ＦＳＪ?（Ｆｌｏａｔｉｎｇ?Ｓｐｒｉｎｇ?Ｊｏｉｎｔ）关??节［６］。ＦＳＪ关节是采用线性弹簧与凸轮盘结合的方式实现变刚度的，凸轮盘滑槽间隙内固??定有可以沿滑槽滑动的滚轮。当向输入端施加扭矩的时候，由于弹簧和滚轮滑槽的作用两??凸轮盘发生相对旋转且在轴向方向上相对分离。利用刚度调节电机调节滑槽中凸轮的位置??改变两凸轮盘间距即改变了弹簧的预紧力，关节刚度随之改变。这种结构对关节刚度调节??电机的要求比较高，摩擦力对关节性能影响较大。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]人机智能协同在医疗康复机器人领域的应用[J]. 郑悦,景晓蓓,李光林. 仪器仪表学报. 2017(10)
[2]主-被动复合变刚度柔性关节设计与分析[J]. 史延雷,张小俊,张明路. 机械工程学报. 2018(03)
[3]一种爬壁机器人动力学建模方法[J]. 徐亚茹,刘荣. 北京航空航天大学学报. 2018(02)
[4]主被动关节柔性树形机器人系统动力学建模与仿真[J]. 田富洋,曹东,董小宁,李法德,蔡占河. 动力学与控制学报. 2017(01)
[5]人机安全问题探讨[J]. 刘闯,郭宝琦,张勤星,张兰. 科技传播. 2016(06)
[6]柔性关节机器人的凯恩动力学建模与仿真分析[J]. 崔文,李成刚,林家庆,谢志红. 机械设计与制造工程. 2015(12)
[7]柔性齿条式变刚度关节驱动器设计与研究[J]. 王伟,刘立冬,魏来,刘斐,贠超. 机械工程学报. 2016(01)
[8]机械式仿骨骼肌变刚度机构原理及设计[J]. 王颜,房立金. 机器人. 2015(04)
[9]基于安全理念,安川积极开发人机共存机器人[J]. 广田博康. 伺服控制. 2015(07)
[10]一种基于弹簧片的可变刚度关节[J]. 郭龙,熊禾根,陶永,陈放. 制造业自动化. 2014(17)
博士论文
[1]单足弹跳机器人可变刚度柔性回转髋关节及其特性研究[D]. 尹鹏.哈尔滨工业大学 2015
[2]空间柔性机械臂动力学建模分析及在轨抓捕控制[D]. 潘冬.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]一种新型变刚度关节的设计及其控制研究[D]. 杨德财.哈尔滨工业大学 2016
[2]柔性机械臂变刚度关节的设计及实验研究[D]. 易科胜.哈尔滨工业大学 2016
[3]基于SEA的双足机器人变刚度虚拟腿研究[D]. 雷昱.哈尔滨工业大学 2015
[4]机器人可变刚度柔性关节设计分析与试验研究[D]. 郭龙.武汉科技大学 2015
[5]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
[6]基于ADAMS的三臂并联机器人动力学研究[D]. 杨欢.中北大学 2014
[7]足式机器人可变刚度柔性关节的研究[D]. 张海涛.哈尔滨工业大学 2013
[8]串联弹性驱动器动力学模型及其特性分析[D]. 赵朋.哈尔滨工程大学 2012
[9]基于ADAMS的机器人动力学仿真研究[D]. 方琛玮.北京邮电大学 2009
[10]基于动态实验数据的机械系统动力学建模与仿真[D]. 贺朝霞.西北工业大学 2005
本文编号：2972343
【文章来源】：沈阳建筑大学辽宁省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－３意大利比萨大学的变刚度执行器（ＶＳＡ）??
进而得到非线性的输入输出关系。相比于第一代ＶＳＡ，该设计有更大的变刚度范围和更清??晰的参数优化模型。??图１－４?ＶＳＡ－ｎ结构原理??Ｆｉｇ．?１－４?ＶＳＡ－ＩＩ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ??德国宇航中心（ＤＬＲ）将一种新型变刚度设计（ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ）［５］运用到柔性机械臂关节中，??针对机器人于环境交互的安全问题，设计和研发了这类关节，如图１－５所示。关节电机与??谐波减速器相连，柔轮作为输出端，刚度调节电机与刚轮相连。由上方端盖对弹簧提前预??紧，通过刚度电机调节凸轮盘，使得关节变形，弹簧的压缩量变化，关节的刚度得到改变，??通过改变凸轮的曲面形状可以得到不同刚度特性的关节。??Ｔ＝＝ａ１?？??图１－５?ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ试验样机??Ｆｉｇ．?１－５?ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ?ｔｅｓｔ?ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ??在ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ的基础上，德国宇航中心（ＤＬＲ）又研制了?ＦＳＪ?（Ｆｌｏａｔｉｎｇ?Ｓｐｒｉｎｇ?Ｊｏｉｎｔ）关??节［６］。ＦＳＪ关节是采用线性弹簧与凸轮盘结合的方式实现变刚度的，凸轮盘滑槽间隙内固??定有可以沿滑槽滑动的滚轮。当向输入端施加扭矩的时候，由于弹簧和滚轮滑槽的作用两??凸轮盘发生相对旋转且在轴向方向上相对分离。利用刚度调节电机调节滑槽中凸轮的位置??改变两凸轮盘间距即改变了弹簧的预紧力
Ｆｉｇ．?１－４?ＶＳＡ－ＩＩ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ??德国宇航中心（ＤＬＲ）将一种新型变刚度设计（ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ）［５］运用到柔性机械臂关节中，??针对机器人于环境交互的安全问题，设计和研发了这类关节，如图１－５所示。关节电机与??谐波减速器相连，柔轮作为输出端，刚度调节电机与刚轮相连。由上方端盖对弹簧提前预??紧，通过刚度电机调节凸轮盘，使得关节变形，弹簧的压缩量变化，关节的刚度得到改变，??通过改变凸轮的曲面形状可以得到不同刚度特性的关节。??Ｔ＝＝ａ１?？??图１－５?ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ试验样机??Ｆｉｇ．?１－５?ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ?ｔｅｓｔ?ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ??在ＶＳ－Ｊｏｉｎｔ的基础上，德国宇航中心（ＤＬＲ）又研制了?ＦＳＪ?（Ｆｌｏａｔｉｎｇ?Ｓｐｒｉｎｇ?Ｊｏｉｎｔ）关??节［６］。ＦＳＪ关节是采用线性弹簧与凸轮盘结合的方式实现变刚度的，凸轮盘滑槽间隙内固??定有可以沿滑槽滑动的滚轮。当向输入端施加扭矩的时候，由于弹簧和滚轮滑槽的作用两??凸轮盘发生相对旋转且在轴向方向上相对分离。利用刚度调节电机调节滑槽中凸轮的位置??改变两凸轮盘间距即改变了弹簧的预紧力，关节刚度随之改变。这种结构对关节刚度调节??电机的要求比较高，摩擦力对关节性能影响较大。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]人机智能协同在医疗康复机器人领域的应用[J]. 郑悦,景晓蓓,李光林. 仪器仪表学报. 2017(10)
[2]主-被动复合变刚度柔性关节设计与分析[J]. 史延雷,张小俊,张明路. 机械工程学报. 2018(03)
[3]一种爬壁机器人动力学建模方法[J]. 徐亚茹,刘荣. 北京航空航天大学学报. 2018(02)
[4]主被动关节柔性树形机器人系统动力学建模与仿真[J]. 田富洋,曹东,董小宁,李法德,蔡占河. 动力学与控制学报. 2017(01)
[5]人机安全问题探讨[J]. 刘闯,郭宝琦,张勤星,张兰. 科技传播. 2016(06)
[6]柔性关节机器人的凯恩动力学建模与仿真分析[J]. 崔文,李成刚,林家庆,谢志红. 机械设计与制造工程. 2015(12)
[7]柔性齿条式变刚度关节驱动器设计与研究[J]. 王伟,刘立冬,魏来,刘斐,贠超. 机械工程学报. 2016(01)
[8]机械式仿骨骼肌变刚度机构原理及设计[J]. 王颜,房立金. 机器人. 2015(04)
[9]基于安全理念,安川积极开发人机共存机器人[J]. 广田博康. 伺服控制. 2015(07)
[10]一种基于弹簧片的可变刚度关节[J]. 郭龙,熊禾根,陶永,陈放. 制造业自动化. 2014(17)
博士论文
[1]单足弹跳机器人可变刚度柔性回转髋关节及其特性研究[D]. 尹鹏.哈尔滨工业大学 2015
[2]空间柔性机械臂动力学建模分析及在轨抓捕控制[D]. 潘冬.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]一种新型变刚度关节的设计及其控制研究[D]. 杨德财.哈尔滨工业大学 2016
[2]柔性机械臂变刚度关节的设计及实验研究[D]. 易科胜.哈尔滨工业大学 2016
[3]基于SEA的双足机器人变刚度虚拟腿研究[D]. 雷昱.哈尔滨工业大学 2015
[4]机器人可变刚度柔性关节设计分析与试验研究[D]. 郭龙.武汉科技大学 2015
[5]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
[6]基于ADAMS的三臂并联机器人动力学研究[D]. 杨欢.中北大学 2014
[7]足式机器人可变刚度柔性关节的研究[D]. 张海涛.哈尔滨工业大学 2013
[8]串联弹性驱动器动力学模型及其特性分析[D]. 赵朋.哈尔滨工程大学 2012
[9]基于ADAMS的机器人动力学仿真研究[D]. 方琛玮.北京邮电大学 2009
[10]基于动态实验数据的机械系统动力学建模与仿真[D]. 贺朝霞.西北工业大学 2005
本文编号：2972343
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