基于SMA的仿人腕关节变刚度驱动机构理论与控制研究
发布时间：2021-03-01 14:45
随着机器人技术的发展,为了适应现代机器人应用领域越来越复杂的工作环境,传统刚性机器人已经渐渐不能满足实际工作要求。为了解决这一问题,仿人机器人研究受到了越来越多的国内外学者重视,因为仿人机器人对非结构化的工作环境具有更强的适应性,能够适应复杂多变的工作环境。其中,仿人机器人能够较方便地实现变刚度特性是其被广泛应用的主要原因。因此,对于仿人机器人关节变刚度驱动机构与控制方式的研究具有重要的意义。本课题研究首先根据仿人腕关节性能指标要求设计了一款拮抗变刚度驱动的仿人腕关节,并利用3D打印技术制作了一台仿人腕关节的实验样机。紧接着通过理论建模与实验测试相结合的方式,研究了本课题设计的仿人腕关节变刚度驱动机构理论与轨迹跟踪控制。为了分析仿人腕关节变刚度驱动机构理论,首先从动力学分析角度建立其输入电流、输出力矩与位置之间的关系模型,其次以动力学分析结果为基础,通过调整仿人腕关节拮抗驱动端的输入电流对,从理论和实验两方面验证了其拮抗变刚度驱动性能。并利用数值计算软件Matlab从仿真角度验证了其变刚度特性:在形状记忆合金（SMA）奥氏体相变过程中,调整拮抗组合驱动器输入电流对由（0,0）A变化至（...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
仿腕关节柔顺并联打磨机器人(a)机构简图(b)实验样机
(a) (b)图 1-2 医用康复腕关节 (a) 原理图 (b) 装配图图 1-1 与图 1-2 所示的基于气动人工肌肉驱动的腕关节均采用了传统金属类材料，从而限制了设计的腕关节负载自重比的提升。针对这些问题，George 等人利用 ABS 材料与气动人工肌肉配合设计了一款仿人腕关节[16]，如图 1-3 所示。该腕关节主要用于骨骼受伤患者的康复训练。由于气动驱动具有平顺和精准的特点，所以其在这种人机交互环境中具有良好地应用价值。综上所述，流体驱动尤其是气动驱动的仿人腕关节具有运动平顺和位姿定位精准等特点被广泛应用于仿人腕关节设计中，由于其安全性较高，适合用于人机交互的领域，例如医疗康复领域。此外，由于流体驱动器属于柔性驱动器，相对于传统电机驱动器更容易实现变刚度驱动，从而使基于流体驱动设计的仿人腕关节环境适应性更强。但是，流体驱动也存在一些不可避免的缺陷：比如需要提供额外的压力泵站，从而导致设计的腕关节整体效率低，负载自重比小等不足，此外，压力的产生需要密闭空腔，存在泄漏污染，噪音大等问题。为了解决流体驱动仿人腕关节存在的上述问题，进一步提高腕关节的功率密度和
图 1-2 所示的基于气动人工肌肉驱动的腕关节均采用制了设计的腕关节负载自重比的提升。针对这些问料与气动人工肌肉配合设计了一款仿人腕关节[16]，用于骨骼受伤患者的康复训练。由于气动驱动具有在这种人机交互环境中具有良好地应用价值。，流体驱动尤其是气动驱动的仿人腕关节具有运动被广泛应用于仿人腕关节设计中，由于其安全性较域，例如医疗康复领域。此外，由于流体驱动器属机驱动器更容易实现变刚度驱动，从而使基于流体适应性更强。但是，流体驱动也存在一些不可避免的压力泵站，从而导致设计的腕关节整体效率低，，压力的产生需要密闭空腔，存在泄漏污染，噪音动仿人腕关节存在的上述问题，进一步提高腕关节许多学者研究了利用新型智能材料驱动仿人腕关节
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型变刚度软体手臂的设计及控制[J]. 项超群,张颖,郭少飞,郝丽娜. 东北大学学报(自然科学版). 2018(01)
[2]级联气动肌肉仿人肘关节建模与模糊控制[J]. 王斌锐,张斌,沈国阳,金英连,黎建军. 机器人. 2017(04)
[3]软体机器人结构机理与驱动材料研究综述[J]. 李铁风,李国瑞,梁艺鸣,程听雨,杨栩旭,黄志龙. 力学学报. 2016(04)
[4]机遇与挑战——中国机器人产业发展的深度思考[J]. 曲道奎. 科技导报. 2015(23)
[5]仿腕关节柔顺并联打磨机器人设计与试验[J]. 朱伟,汪源,沈惠平,邓嘉鸣,许兆棠. 农业机械学报. 2016(02)
[6]医疗机器人技术发展综述[J]. 倪自强,王田苗,刘达. 机械工程学报. 2015(13)
[7]仿生机器人研究现状与发展趋势[J]. 王国彪,陈殿生,陈科位,张自强. 机械工程学报. 2015(13)
[8]我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J]. 王田苗,陶永. 机械工程学报. 2014(09)
[9]形状记忆合金丝驱动的触手推进式仿生水母[J]. 李健,郭艳玲,王振龙. 哈尔滨工业大学学报. 2014(01)
[10]便携式二自由度腕关节康复机器人设计[J]. 黄明,黄心汉,温月,涂细凯. 华中科技大学学报(自然科学版). 2013(S1)
博士论文
[1]仿人机器人肩肘腕关节及臂的设计[D]. 张亮.燕山大学 2016
[2]NiTi 形状记忆合金微—宏观本构模型及其应用[D]. 龙血松.重庆大学 2014
硕士论文
[1]基于双目视觉的机器人定位技术研究[D]. 何佳唯.江南大学 2016
[2]基于串联弹性驱动器的并联柔顺手腕的设计[D]. 夏旭.北京交通大学 2016
[3]气动肌肉四足机器人机构建模与运动控制[D]. 干苏.中国计量学院 2016
[4]拮抗变刚度柔顺驱动器的设计与研究[D]. 胡涛.杭州电子科技大学 2016
[5]基于形状记忆合金的驱动控制研究[D]. 王鹏军.南京航空航天大学 2013
本文编号：3057632
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
仿腕关节柔顺并联打磨机器人(a)机构简图(b)实验样机
(a) (b)图 1-2 医用康复腕关节 (a) 原理图 (b) 装配图图 1-1 与图 1-2 所示的基于气动人工肌肉驱动的腕关节均采用了传统金属类材料，从而限制了设计的腕关节负载自重比的提升。针对这些问题，George 等人利用 ABS 材料与气动人工肌肉配合设计了一款仿人腕关节[16]，如图 1-3 所示。该腕关节主要用于骨骼受伤患者的康复训练。由于气动驱动具有平顺和精准的特点，所以其在这种人机交互环境中具有良好地应用价值。综上所述，流体驱动尤其是气动驱动的仿人腕关节具有运动平顺和位姿定位精准等特点被广泛应用于仿人腕关节设计中，由于其安全性较高，适合用于人机交互的领域，例如医疗康复领域。此外，由于流体驱动器属于柔性驱动器，相对于传统电机驱动器更容易实现变刚度驱动，从而使基于流体驱动设计的仿人腕关节环境适应性更强。但是，流体驱动也存在一些不可避免的缺陷：比如需要提供额外的压力泵站，从而导致设计的腕关节整体效率低，负载自重比小等不足，此外，压力的产生需要密闭空腔，存在泄漏污染，噪音大等问题。为了解决流体驱动仿人腕关节存在的上述问题，进一步提高腕关节的功率密度和
图 1-2 所示的基于气动人工肌肉驱动的腕关节均采用制了设计的腕关节负载自重比的提升。针对这些问料与气动人工肌肉配合设计了一款仿人腕关节[16]，用于骨骼受伤患者的康复训练。由于气动驱动具有在这种人机交互环境中具有良好地应用价值。，流体驱动尤其是气动驱动的仿人腕关节具有运动被广泛应用于仿人腕关节设计中，由于其安全性较域，例如医疗康复领域。此外，由于流体驱动器属机驱动器更容易实现变刚度驱动，从而使基于流体适应性更强。但是，流体驱动也存在一些不可避免的压力泵站，从而导致设计的腕关节整体效率低，，压力的产生需要密闭空腔，存在泄漏污染，噪音动仿人腕关节存在的上述问题，进一步提高腕关节许多学者研究了利用新型智能材料驱动仿人腕关节
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型变刚度软体手臂的设计及控制[J]. 项超群,张颖,郭少飞,郝丽娜. 东北大学学报(自然科学版). 2018(01)
[2]级联气动肌肉仿人肘关节建模与模糊控制[J]. 王斌锐,张斌,沈国阳,金英连,黎建军. 机器人. 2017(04)
[3]软体机器人结构机理与驱动材料研究综述[J]. 李铁风,李国瑞,梁艺鸣,程听雨,杨栩旭,黄志龙. 力学学报. 2016(04)
[4]机遇与挑战——中国机器人产业发展的深度思考[J]. 曲道奎. 科技导报. 2015(23)
[5]仿腕关节柔顺并联打磨机器人设计与试验[J]. 朱伟,汪源,沈惠平,邓嘉鸣,许兆棠. 农业机械学报. 2016(02)
[6]医疗机器人技术发展综述[J]. 倪自强,王田苗,刘达. 机械工程学报. 2015(13)
[7]仿生机器人研究现状与发展趋势[J]. 王国彪,陈殿生,陈科位,张自强. 机械工程学报. 2015(13)
[8]我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J]. 王田苗,陶永. 机械工程学报. 2014(09)
[9]形状记忆合金丝驱动的触手推进式仿生水母[J]. 李健,郭艳玲,王振龙. 哈尔滨工业大学学报. 2014(01)
[10]便携式二自由度腕关节康复机器人设计[J]. 黄明,黄心汉,温月,涂细凯. 华中科技大学学报(自然科学版). 2013(S1)
博士论文
[1]仿人机器人肩肘腕关节及臂的设计[D]. 张亮.燕山大学 2016
[2]NiTi 形状记忆合金微—宏观本构模型及其应用[D]. 龙血松.重庆大学 2014
硕士论文
[1]基于双目视觉的机器人定位技术研究[D]. 何佳唯.江南大学 2016
[2]基于串联弹性驱动器的并联柔顺手腕的设计[D]. 夏旭.北京交通大学 2016
[3]气动肌肉四足机器人机构建模与运动控制[D]. 干苏.中国计量学院 2016
[4]拮抗变刚度柔顺驱动器的设计与研究[D]. 胡涛.杭州电子科技大学 2016
[5]基于形状记忆合金的驱动控制研究[D]. 王鹏军.南京航空航天大学 2013
本文编号：3057632
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