拮抗变刚度柔顺驱动器的设计与研究

发布时间：2017-05-03 20:06

  本文关键词：拮抗变刚度柔顺驱动器的设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：工业机器人伴随着人类提高生产效率,减轻劳动负担的需要而诞生,随着人类生活水平的提高,希望机器人能够走进人们的生活中,给日常的生活和娱乐注入新的元素。然而在机器人进入到日常家庭之前,一直有几个重要的难题横亘在面前,那就是机器人在与人交互过程中存在的安全性、与周围环境的适应性以及工作中能量利用率的问题。关节驱动器是机器人运动得以实现的主要功能部件,是解决上述问题的关键。关于驱动器的设计,目前尚未有一个切实有效的,且适用性强的柔顺驱动器设计方法;生物骨骼肌驱动系统具有诸多优势,本文基于仿生拮抗柔顺驱动的原理分析设计了一种变刚度柔顺关节驱动器,并从驱动器刚度特性的角度对驱动器的安全性等问题进行分析研究,具体工作内容如下:首先,简单介绍了柔顺驱动器概念,对驱动器柔顺功能的实现方法进行了归纳和分类,并对国内外的研究现状进行了概述,列举分析了具有代表性的拮抗变刚度柔顺驱动器模型。其次,基于拮抗变刚度驱动的机理,确立了驱动器的实现方案;进一步分析了驱动器刚度形成原理,在此基础上建立了驱动器刚度的数学模型;基于MATLAB数学分析工具,用变量控制法对影响该驱动器静态刚度特性的影响因素进行了理论分析,并结合设计指标给出样机设计指导参数。再次,根据通过对驱动电机、同步带传动、弹性元件等的设计计算与验算,选定了RX-28等主要部件;依据带传动与张紧装置的相关参数,建立了拮抗驱动器刚度的准确数学模型;在此模型的基础上分析了驱动器的空载静态刚度特性和静载静态刚度特性,得到了驱动器静态下刚度性能。然后,运用拉格朗日法对驱动器进行了动力学分析,得到了系统动力学方程;与此同时,还分别建立了拮抗SEA模型和驱动电机的数学模型;在此基础上,于Simulink中分别建立仿真模型。最后,就拮抗驱动器进行了控制分析,结合PID控制方法,对驱动器的位置控制、刚度控制、位置-刚度解耦控制等策略进行了研究;在Simulink中设计了仿真实验,对上述控制策略下的驱动器动态性能进行研究,结果表明驱动器可有效的跟踪正弦波,具备一定的精度;对外部力矩作用,柔顺驱动器能实现有效的回驱,具备一定的安全性。研制了拮抗变刚度驱动的实验样机,用于后期的实验研究,对理论分析和仿真结果进行验证。
【关键词】：机器人 关节驱动器 变刚度 柔性 拮抗
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 课题背景及研究意义10-11
• 1.2 变刚度柔顺驱动器的国内外研究现状11-20
• 1.2.1 柔顺驱动器简介11
• 1.2.2 柔顺驱动器驱动方式11-14
• 1.2.3 主动柔顺驱动器14-15
• 1.2.4 被动柔顺驱动器15-20
• 1.3 本文主要研究内容及框架20-22
• 第二章 拮抗变刚度驱动器的设计分析22-36
• 2.1 引言22
• 2.2 驱动器设计原则及指标22-23
• 2.3 关节变刚度机理分析23-25
• 2.3.1 拮抗柔顺驱动器的一般组成23-25
• 2.4 拮抗变刚度驱动器刚度模型与特性分析25-35
• 2.4.1 现有拮抗驱动方案局限性分析25-26
• 2.4.2 拮抗驱动器传动方案设计26-27
• 2.4.3 拮抗变刚度驱动器的刚度特性27-30
• 2.4.4 驱动器静态刚度特性及其影响因素30-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 拮抗变刚度驱动器设计36-49
• 3.1 引言36
• 3.2 变刚度驱动器系统组成36-37
• 3.3 拮抗柔顺驱动器传动系统设计37-45
• 3.3.1 驱动电机选型与验算37-39
• 3.3.2 同步带传动设计与计算39-40
• 3.3.3 驱动器柔性环节弹性元件的计算与分析40-43
• 3.3.4 辅助元器件的选型43-45
• 3.4 拮抗变刚度驱动器数学模型45-48
• 3.4.1 驱动器空载静态刚度特性研究45-46
• 3.4.2 驱动器静载下的静态刚度特性46-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第四章 拮抗变刚度驱动器控制系统建模49-61
• 4.1 引言49
• 4.2 驱动器动力学系统建模49-52
• 4.2.1 单自由度拮抗驱动器动力学分析49-50
• 4.2.2 N自由度拮抗驱动系统动力学50-51
• 4.2.3 拮抗变刚度驱动器动力学模型51-52
• 4.3 SEA驱动器的建模52-53
• 4.4 驱动器的驱动电机建模53-60
• 4.4.1 直流伺服电机数学模型53-57
• 4.4.2 直流电机控制器数学模型57-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第五章 变刚度驱动器动态仿真与实验平台61-76
• 5.1 引言61
• 5.2 拮抗柔性驱动器的控制研究61-72
• 5.2.1 驱动器控制分析61-62
• 5.2.2 PID控制器及在驱动器中的应用62-64
• 5.2.3 拮抗驱动控制策略研究64-72
• 5.3 实验平台搭建与实验设计72-75
• 5.3.1 实验样机72-73
• 5.3.2 实验平台搭建73-75
• 5.4 本章小结75-76
• 第六章 总结与展望76-78
• 6.1 工作总结76-77
• 6.2 工作展望77-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-83
• 附录83

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本文编号：343647