双驱动机器人变刚度关节设计及主动变刚度控制方法研究

发布时间：2022-01-21 21:39

　　服务机器人,特别是护理机器人以老人或病人为直接服务对象,所以其在物理人机交互中的安全性和柔顺性就变得尤为重要。变刚度关节不仅像传统串联弹性驱动器一样具有弹性和缓冲作用,而且能够主动改变机器人关节的刚度大小,进一步提高机器人的柔顺性和安全性,因此成为了护理机器人领域的研究热点。传统变刚度关节往往采用冗余驱动的方案分别控制关节角度和刚度,这不但增加了关节的机构复杂度,使得关节难以小型化和模块化,而且造成了刚度调节电机的功率浪费,这使得变刚度关节很难被用于多自由度的机器人系统当中。因此变刚度关节的模块化设计和控制方法研究变得十分具有挑战性。针对上述变刚度关节存在的问题,本课题提出了一种新型模块化变刚度关节的设计及其主动变刚度控制方法,并制作了关节样机,进行了相关实验研究。针对护理机器人手臂关节的设计要求和传统变刚度关节的功率浪费问题,论文提出了一种利用差速机构的关节设计方案,其基于双向拮抗式变刚度原理,能够同时进行关节动力的输出和关节刚度的调节。本文对变刚度关节进行了详细设计和原理分析,并根据设计和分析结果制造了关节样机,实现了关节的模块化和集成化。根据关节的特殊传动结构进行了准确地动力学建... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：79 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

应用于康复外

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-12-使得关节可以达到完全柔性（零刚度），又通过引入关节限位器使得关节可以变成完全刚性，由此完成了关节从完全柔性到完全刚性的调节。轴向力轴向弹簧a)直线变刚度关节原理图[31]b)改进后关节三维图[32]图1-15LVSM示意图[31]哈尔滨工业大学尹鹏等设计了一种针对足部弹跳机器人的变刚度机构[33]，如图1-16所示。其利用变力臂式的变刚度原理，通过调节输出端力臂的大小控制关节的刚度。两个驱动盘上一个开直线槽，另一个开有曲线槽，两个驱动盘的相对错动会造成支点沿关节径向移动，改变弹簧力臂的大小进而改变关节的刚度。通过曲线设计，他们避免了错动凸轮机构自锁的问题，成功实现了差速刚度调节。a)错动凸轮机构b)关节剖面图图1-16哈工大足部弹跳机器人中的变刚度机构[33]1.3国内外文献综述的简析国外在变刚度关节方面的研究比较早，在2010年前后涌现了大量的新颖的机构设计，为了提高多自由度机器人系统的相应能力和柔顺性，变刚度关节常常被应用到轻型臂中，进而开发出性能优异的轻型柔顺臂，其中较为成熟的解决方案是德国宇航中心（DLR）的几款柔顺机械臂。

设计实现机器人本身产生对外力的自发反应。 而造成变刚度关节难以小型化的原因在于其复杂的机械机构和主副电机的配置形式，其中主电机用来控制关节的输出转矩与输出转角，而副电机单独用来调节关节的刚度。两个电机独立工作，则在大部分无需变刚度的场合，副电机常常处于停滞状态，造成了电机功率的浪费，进而限制了关节的扭矩输出能力。 即使是拮抗式布置的变刚度关节，如人类的肌肉肌腱系统或绳驱系统，由于肌肉和绳索只能产生拉力，故当关节输出转矩时，只有一个电机主动输出，而另一个电机只能随动而无法输出转矩，同样造成了电机功率的浪费，限制了关节的高扭矩输出能力。只有在变刚度时，两电机才能相互拮抗，共同输出转矩。拮抗式关节原理如图 2-3 所示。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ROS和CANopen协议的控制器实时通信系统构建[J]. 贾鹏飞,王容川,徐林森,陈丹惠,李开霞.  中国科学技术大学学报. 2018(09)
[2]面向足式机器人的新型可调刚度柔性关节的设计及性能测试[J]. 尹鹏,李满天,郭伟,王鹏飞,孙立宁.  机器人. 2014(03)
[3]机器人柔顺控制研究[J]. 殷跃红,尉忠信,朱剑英.  机器人. 1998(03)

硕士论文
[1]一种新型的可变刚度柔性关节设计与控制研究[D]. 蔡若凡.哈尔滨工业大学 2017
[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



本文编号：3601006