基于腱驱动的人形机器人模块化关节及控制系统研究

发布时间：2023-08-06 18:27

　　人们对于机械臂的研究由来已久,但大多应用于工业生产中的大型机器人,而对于类人型机器人机械臂的机构研究相对较少。人们在不断找寻与人类肌肉具有类似特性的传动方式,现在研究出来的主要有液压肌肉、气动肌肉等,这些人工肌肉都有各自的弊端。本文主要研究一种基于钢丝绳的腱传动系统,并实现对该系统的精确控制。在对腱传动系统的研究中发现,系统的柔性以及传动空回是暂时已知的会影响系统控制性能的因素,针对这些缺陷,设计适用于本系统的控制器来获得更好的控制性能。论文首先研究了柔索腱传动的典型形式,并类比齿轮中的齿隙模型,对腱传动中产生的空回现象进行数学模型总结分析,选取适用于本系统的空回模型,并对绳索传动空回的产生原因进行分析。本文设计了一套符合系统设计指标的模块化关节,并在此基础上设计了机械臂肩部腱传动系统。针对该传动系统,主要解决系统的柔性及传动空回的影响。为实现系统良好的传动性能,先对传动系统进行动力学建模分析,并分析比较了 PID控制、反步自适应等控制器设计方法,主要研究了采用反步法设计系统控制器,该控制器的使用较好地解决了系统中存在地柔性以及传动空回的影响。本文对控制策略进行了仿真分析,比对了 PI...

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 机器人研究现状
    1.3 机器人腱驱动研究发展综述
        1.3.1 腱(柔索)驱动研究现状
        1.3.2 钢丝绳建模方法研究现状
        1.3.3 柔性关节机械臂控制方法
    1.4 主要研究内容
第2章 腱传动特性分析
    2.1 引言
    2.2 典型腱传动方式分析
        2.2.1 代替直齿轮机构
        2.2.2 代替锥齿轮机构
    2.3 传动空回模型
        2.3.1 传动空回迟滞模型
        2.3.2 动空回死区模型
        2.3.3 基于Sigmoid函数的近似死区模型
        2.3.4 “振-冲”模型
    2.4 钢丝绳特性分析
    2.5 本章小结
第3章 模块化关节及腱传动系统设计
    3.1 引言
    3.2 关节模块设计
        3.2.1 关节模块性能指标设计
        3.2.2 关节模块关键元件选型
        3.2.3 机器人关节模块总体设计
        3.2.4 腱轮及锁紧装置设计
        3.2.5 关节模块主要结构校核
    3.3 腱传动系统搭建
        3.3.1 传动机构方案设计
        3.3.2 传动单元分析与设计
        3.3.3 传动机构结构总体设计
    3.4 关键电路设计
        3.4.1 张力采集电路
        3.4.2 编码器采集电路
    3.5 本章小结
第4章 腱传动控制系统设计及分析
    4.1 引言
    4.2 腱传动系统动力学研究
        4.2.1 关节模块动力学建模
        4.2.2 基于张力传感器动力学建模及分析
    4.3 控制方法介绍
        4.3.1 PID控制
        4.3.2 反步法自适应控制
    4.4 系统控制方法设计
        4.4.1 谐波减速器控制方法
        4.4.2 基于反步法的腱传动控制设计
    4.5 反步法控制器仿真分析
    4.6 本章小结
第5章 腱驱动系统实验验证
    5.1 引言
    5.2 传感采集系统实验
        5.2.1 编码器采集
        5.2.2 张力传感器标定
    5.3 关节模块特性实验
        5.3.1 关节模块速度性能测试
        5.3.2 关节模块输出扭矩测试
    5.4 腱传动系统控制实验
        5.4.1 实验平台搭建
        5.4.2 系统控制性能实验
    5.5 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 研究展望
参考文献



本文编号：3839827