绳索驱动式变刚度关节柔顺控制与力补偿方法研究

机器人柔顺运动有助于提高机器人交互运动时的安全性与稳定性,越来越受到人们的重视。针对一种绳索驱动式具有主被动柔顺性的柔性机器人关节,提出一种适用于绳索驱动式变刚度关节的刚度与位置解耦控制方式,实现了关节位置控制的同时,又实现了关节柔顺性的统一。利用雅可比矩阵和模型间静力学关系,得到关节刚度模型,并通过优化方法对变刚度装置的力学模型和刚度模型构成的非线性方程组求解,实现变刚度关节刚度与位置的非线性解耦。在解耦控制基础上提出一种力矩观测方法,实现了关节力矩补偿,增强了关节位置控制能力;建立了绳索驱动式变刚度关节样机和控制系统,并通过仿真和实验分析的方式验证了所提柔顺控制方式的可行性和有效性。     

基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节设计与分析

为满足足式机器人跑跳等动态运动对关节柔性及其变刚度特性的迫切要求,借鉴生物关节柔性特征与主被动刚度调节机理,创新地提出了一种基于凸轮机构的新型变刚度仿生柔性关节。基于关节刚度特性分析,构建了关节整体刚度模型,并针对影响关节刚度特性的各结构参数开展了系统优化设计,研制出了一款紧凑型高集成度关节样机。关节样机性能实验结果表明,基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节具备理想的关节输出力矩与刚度调节范围,可通过关节固有刚度特性与动态刚度特性的主被动融合控制,实现关节瞬时刚度的动态非线性精确调节,能够满足机器人动态运动对关节柔性与刚度的需求。     

服务机器人变刚度关节驱动系统设计

针对现代服务机器人安全性、环境适应性和能量利用率等问题,提出了一种可变刚度的关节驱动系统,该系统利用一种并联且具有特殊几何结构的平面扭簧作为弹性模块以实现其变刚度特性。分析了平面扭簧的刚度特性,通过对平面扭簧的结构特点及其力学特性的分析,建立了扭簧刚度与偏转角度及扭簧刚度与预紧量之间的关系,为关节驱动系统的性能优化提供了理论依据。仿真结果表明,所用平面扭簧偏转角度约为7°,刚度变化范围大,能够满足服务机器人关节刚度需求。该系统既保留了刚度可变的特性,又减少了弹性模块所占的空间体积,并大大简化了系统的结构,便于维护。     

基于曲柄滑块机构变刚度关节的设计与分析

为了解决人机交互中的物理接触带来的刚性碰撞和安全隐患问题,以机器人关节模块为出发点,提出了一种新型变刚度关节。设计了变刚度关节的曲柄滑块刚度调节机构,分析了变刚度原理,建立了数学模型,搭建了样机,分别就关节刚度与关节偏转角度、板簧有效长度、调节机构输入角等参数关系进行了实验分析。实验证明,该方案可实现关节刚度的调节。     

基于SEA的机器人仿肌弹性驱动关节研究

为了实现机器人的拟人运动,提高其对外部环境的适应性,基于串联弹性驱动器(SEA)驱动形式提出一种仿肌弹性驱动的机器人转动关节,以实现机器人在受迫振动或受冲击下的柔顺自调整运动。该关节机构参考人体肌肉-肌腱组织的Hill-type模型,采用具有对抗形式的主动弹性驱动和被动弹性牵制的设计方案,模拟肌肉收缩运动和功能,产生牵拉力以驱动机器人的关节。通过对该弹性驱动关节进行建模分析,得到其动力学描述方程,结合多次仿真测试中获得的系统运动特性曲线,在掌握其运动规律的基础上完成了其动力学性能评估。此外,针对关节机构具有的强弹性、低刚度特点,提出一种基于虚拟刚度补偿的控制方法,并应用在具有仿肌弹性驱动关节的二自由度机器臂上,实验结果表明其可行、有效。     

含弹性环的机器人关节变刚度驱动器设计分析

针对机器人与人共享工作环境所带来的人机交互安全问题及工作能耗大、效率低等问题,提出了一种含有弹性环的机器人关节变刚度驱动器;运用解析法分析了弹性环的刚度特性,得到其理论最大偏转角为1.5°;通过碰撞和抛球实验验证了所设计的关节驱动器的实际缓冲和储能效果;结果表明:所设计的含有弹性环的机器人关节变刚度驱动器具有良好的吸收冲击的能力,最大偏转角约为1.7°,可有效保护碰撞发生时的人机安全。同时,储能效果明显,可提高能量使用效率。     

面向柔顺装配装夹的机器人手腕变刚度机理研究

在柔顺装配装夹过程中,不同工序对机器人手腕刚度要求不同。在刚性定位工序中,大的手腕刚度可保证机器人搬运工件定位到作业位置的精度。在装配装夹工序中,小的手腕刚度可柔顺补偿机器人装配装夹工件的位姿误差。提出了一种大范围变刚度的五自由度手腕,可实现工件的翻转、俯仰、偏转和平移。研究通过调节弹性张力改变手腕刚度的机理,实现手腕关节刚度随弹性张力的增加而线性增加。分析手腕弹性张力和几何参数对手腕变刚度特性和刚度分布的影响,通过设计手腕关节的几何参数实现手腕刚度分布保持不变。研究变刚度手腕刚性定位与柔顺装配装夹的机理,建立手腕装配装夹过程中的形变位姿模型和补偿工件位姿误差的空间模型,得到手腕刚度随手腕位姿的变化模型,实现手腕克服阻力完成装配装夹作业。实验结果表明机器人手腕可大范围变刚度,满足刚性定位与柔顺装配装夹要求。     

3自由度并联柔索驱动变刚度操作臂的刚度控制

利用柔索的弹性及驱动冗余性构造了一种3自由度并联柔索驱动变刚度操作臂,在静力学与刚度分析的基础上,进行刚度控制研究。首先,将柔索驱动力映射到关节空间,并分析等效关节力与柔索张力和外力的关系, 提出该操作臂的三维力矢量闭合原理。根据微分变换原理进行刚度分析,得到关节刚度矩阵及操作手刚度矩阵, 并进行数值算例分析,结果表明:刚度与柔索的张力有关,调节柔索张力可以改变系统刚度。最后,采用位置与张力混合控制的策略,对该变刚度操作臂进行了刚度控制,并进行了仿真验证。     

基于磁流变原理的变刚度驱动方法研究

针对机器人关节变刚度驱动的功能需求,提出了一种基于磁流变原理的变刚度驱动方法,该方法利用旋转式磁流变阻尼器力矩可控且响应速度快的特点,结合伺服电机与旋转式磁流变阻尼器,构成变刚度驱动器.基于变刚度驱动器构型,分析了变刚度驱动原理.完成了用于变刚度驱动器的旋转式磁流变阻尼器的设计,获取了阻尼器的力矩值与磁动势值.基于变刚...     

永磁变刚度柔性关节的力学分析与控制器设计

提出一种采用永磁弹簧、绳索驱动、梯形布置的拮抗式变刚度柔性机器人关节,能够根据任务需要,实时调节关节刚度。所述永磁弹簧装置,在绳索提供力矩一定的情况下,增加了关节刚度变化范围,同时减小操作臂的质量与惯量。对提高柔性机器人关节的运动性能具有重要意义。对关节空间与绳索空间的映射关系进行推导并利用雅可比矩阵和模型间静力学关系,得到关节刚度模型,进而实现关节刚度与位置解耦。以轨迹控制为目标,设计了一种双闭环解耦控制器,并进行了试验验证。仿真分析与试验结果共同表明,该柔性关节在较宽刚度调整范围内,都具有较好的位置响应特性和轨迹跟踪能力。上述结构与控制方式同样也适用于多自由度并联柔性机器人关节。     

柔性齿条式变刚度关节驱动器设计与研究

关节驱动器对于提升机器人环境适应能力和降低能量消耗具有重要意义。设计并实施一种柔性齿条式变刚度关节驱动器,能够根据任务需要,实时调节关节刚度。详细阐述关节驱动器的变刚度原理,详细展示该关节驱动器的机械结构。建立柔性齿条式关节驱动器的静力学模型,推导关节刚度与调整位移之间的理论关系式。完成了软件仿真和系统试验,验证了本方案的可行性。柔性齿条式变刚度关节驱动器能够有效缩小驱动器的整体体积,同时具有较大的刚度调整范围以及较短的刚度调节时间。     

基于永磁弹簧的变刚度关节驱动器设计

提出一种基于永磁弹簧的变刚度机器人关节驱动器,采用蜗轮、蜗杆驱动绳索调整永磁弹簧气隙间距,实现驱动器变刚度控制;分析基于绳索-永磁弹簧组的关节驱动器变刚度原理并进行结构设计,对变刚度收线蜗轮、蜗杆结构参数进行设计计算.     

外骨骼助行机器人变刚度驱动的研究进展

外骨骼助行机器人属于科技前沿的热点,具有巨大的应用前景。对外骨骼助行机器人变刚度驱动的国内外研究进展进行了综述,主要介绍了弹性元件的变刚度驱动、杠杆结构的变刚度驱动以及挠性的变刚度驱动,阐明了目前外骨骼助行机器人变刚度驱动的发展瓶颈,展望了外骨骼助行机器人变刚度驱动的未来发展方向。     

一种扭簧变刚度柔性关节的设计与研究

变刚度关节由于其固有的柔性特征,可实现人与机器人在非结构化环境下的安全交互.针对扭簧扭转时中径发生改变提出了一种具有非线性刚度的紧凑型柔性关节,并满足常用的力作用情景"小载荷,低刚度;大载荷,高刚度".首先,给出柔性关节模型,采用扭簧以及开口套作为基本弹性元件,通过调节螺母滑块的位置,使钢球挤压开口套并改变扭簧中径,实现对关节的刚度调节.其次,结合弹性变形理论,分析描述了柔性关节中弹性元件的力学本构方程和截面应力分布规律,得到关节的转角、扭矩及刚度间的关系.最后,根据关节转动不同角度以及施加不同载荷以获取扭矩与刚度变化的仿真数据,结果表明该柔性关节的设计是有效的,同时,可为研究该类扭簧变刚度的力学行为提供理论参考.     

主-被动复合变刚度柔性关节设计与分析

为解决传统刚性机器人在特定领域应用受限问题,为其设计一款同时具有主、被动变刚度特性的复合式柔性关节。通过调查研究国内外变刚度柔性关节结构,对变刚度柔性关节按结构原理分为杠杆机构、凸轮机构两类,并基于凸轮机构原理,通过紧凑化设计实现了主-被动变刚度在同一关节的整合。建立该柔性关节数学模型,并对凸轮槽曲线进行了优化设计,得到了关节等效刚度随柔性变形量逐渐增大的凸轮槽曲线,在此基础上对柔性关节进行了刚度特性分析。对关节样机进行了静态刚度测量及动态抛掷试验,结果表明该变刚度柔性关节能够实现主、被动刚度调节功能,且在结构设计上适应现有机器人机构应用。     

拮抗变刚度关节驱动器设计与特性分析

机器人关节驱动器是人机交互运动得以实现的关键。为使服务机器人更好地完成与人之间的交互,根据仿生拮抗驱动原理,设计了一种主动变刚度的柔顺关节驱动器。同时建立了变刚度驱动器的数学模型,借助MATLAB软件分析,得到了变刚度驱动器静载下的静态刚度曲线,结果表明该关节驱动器具有良好的变刚度特性和安全性。此外,结合ADAMS虚拟样机和实物样机实验平台,分析了转角差δ=0°和δ=15°时小球的平抛情况,实验结果表明驱动器具有良好的储能特性和安全性。     

基于折叠式串联簧片的可调刚度致动器设计

可调刚度致动器能为机器人动态性能和人机交互安全性带来显著提升。在对常见簧片型变结构式刚度调节机理进行分析总结的基础上设计一种基于折叠串联型平行排布簧片组的新型旋转式可调刚度致动器,分析其刚度调节原理并介绍样机机械结构。针对实际刚度调节机构中簧片与滑块滚子的间隙,建立修正的关节旋转刚度解析模型。通过系统试验证明了模型的准确性和整体方案的可行性。折叠式串联簧片的应用使系统在有限的尺寸和足够的承载能力下获得了更大的刚度调节范围。簧片的平行排布设计则实现了多组柔性单元滑块滚子运动的同步及关节驱动与刚度控制的解耦。     

冗余度柔性机器人动力规划研究

提出了机器人动力规划新策略———基于关节最优初始位形的多目标规划方法。在保证机器人实现预定运动轨迹的前提下 ,调节机器人的关节初始位形 ,尽可能地降低机器人的关节驱动力矩和末端的弹性变形的运动误差。通过一空间 4R机器人的仿真实例验证了这一方法的有效性     

绳牵引并联机器人的静刚度解析

基于微分变换和线几何理论,建立包含关节弹性变形以及绳拉力等因素的绳牵引并联机器人的刚度模型,推导刚度矩阵的数学表达式.模型不仅考虑驱动单元、绳的弹性变形对机构刚度的影响,而且考虑机构在广义外力作用下由末端执行器微分运动所引起的结构矩阵的变化.通过线矢量的引入,分步求导模型中结构矩阵对末端执行器位姿变分的三维Hessian矩阵.模型表明,绳牵引并联机器人的系统刚度由两部分组成,其中一部分主要取决于绳的几何布置、末端执行器的位姿、驱动支链的物理特性;另一部分表达为结构矩阵相对末端执行器位姿的变分-Hessian矩阵与绳拉力矢量的乘积.大射电望远镜5m缩尺模型数值仿真与试验结果的对比验证了该方法的正确有效.     

冗余度柔性机器人动力规划研究

提出了机器人动力规划新策略－基于关节最优初始位形的多目标规划方法。在保证机器人实现预定运动轨迹的前提下，调节机器人的关节初始位形，尽可能地降低机器人的关节驱动力矩和末端的弹性变形的运动误差，通过一空间4R机器人的仿真实例验证了这一方法的有效性。