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。     

基于柔性并联机构的变刚度夹持器设计分析

提出一种新型双夹爪变刚度夹持器,每个夹爪是一个由四根对称旋转柔性支链组成的变刚度柔性并联机构（VSFPM）。夹持器由两个电动机驱动,其中一个宏动电动机用于控制夹爪的开合运动,适应被抓取物体的几何尺寸;另一个微动电动机用于控制柔性支链的旋转角度,以调整夹爪在开合方向的刚度,实现变刚度柔顺抓取,提高对被抓取物体几何形状、材料属性的适应能力。基于刚度投影方法,分析了基于旋转支链柔性并联机构在夹持方向上的变刚度原理;应用基于伴随变换的刚度分析方法,求得了夹爪在任意旋转角度下的刚度模型;通过有限元仿真分析,验证了刚度模型的准确性。此外,有限元分析结果表明,提出的VSFPM机构具有较大的刚度调整范围（0.178~9.663 N/mm）,为变刚度柔性夹持器设计提供了新的思路和方法。     

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...     

一种新型变刚度柔顺关节设计与分析

针对传统高刚性机器人在人机交互过程中因碰撞产生的不安全问题,设计了一种新型的可变刚度柔顺关节.提出了一种基于凸轮四连杆机构的新型变刚度方法,分析了变刚度柔顺关节工作原理,详细阐述了变刚度柔顺关节的机械结构.设计了凸轮轮廓曲线,使变刚度柔顺关节达到最优刚度特性.根据机械结构建立变刚度机构的数学模型和变刚度柔顺关节的动力学...     

仿生柔性关节关键技术综述

仿生柔性关节融合生物关节生理结构与柔性运动特性,能够根据外部环境与自身负载变化动态调整关节刚度以减缓外部环境刚性冲击,实现关节能量的积蓄与回收,满足机器人跑、跳等动态行走方式需求,具有广泛的应用前景。作为一个新兴的研究领域,国内外对仿生柔性关节的研究尚处在起步阶段,并没有成熟的技术可借鉴,因此有必要对现有研究成果进行系统分析和深入总结,以促进仿生柔性关节的进一步发展。文中简要介绍了国内外仿生柔性关节研究现状,详细探讨了制约仿生柔性关节研究的柔性结构设计和柔性控制方法等关键技术问题,并对仿生柔性关节研究未来发展趋势进行了构想与展望。     

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。     

仿生黏附变刚度机构设计与性能测试

针对从零到大刚度变化需要,设计一种基于仿生黏附的变刚度机构,它具有刚度变化范围大,响应迅速,体积小等优点。变刚度机构性能测试结果表明,变刚度机构可在约0.5 s内完成非工作状态和工作状态之间的转换,在工作状态下可承担至少约90 N的冲击载荷,且在工作200次后性能基本不变。变刚度机构可应用于在高冲击载荷下对人体头颈部的防护。     

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。     

凸轮机构锁合弹簧刚度分析

力封闭型凸轮机构中,为避免从动件腾跳而破坏工作端的预期运动,需在凸轮机构中加入锁合弹簧。锁合弹簧的弹性力过大会增大凸轮副的接触应力,弹性力过小则不能达到锁合要求,故锁合弹簧刚度分析非常必要。     

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...     

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。     

基于能量法的变速驱动凸轮机构的设计

变速输入的凸轮机构,驱动力随凸轮廓线而变化,使得凸轮机构的设计成为一个难题。分段能量法,是解决这个问题的一个行之有效的方法。该方法应用能量守恒定律,采用分段的方法,按输出的速度曲线设计凸轮廓线。     

神经网络用于凸轮机构稳速控制

凸轮机构由于其优良的工作性能而被广泛用于高精度往复运动系统中.但由于它的变转动惯量、变负载力矩、间隙等非线性动力学特性,给含有凸轮机构的机电系统稳速控制带来了很大难度.在诸多影响稳速控制精度的因素中,负载扰动力矩的影响是最主要的.本文利用神经网络逼近非线性函数的能力和自适应、自学习的特点建立了实际系统的负载扰动力矩神经网络模型,并基于全补偿原则设计了补偿环节,实现了对扰动力矩的动态补偿.实验结果表明这种方法可以有效解决凸轮系统中固有的周期性扰动对稳速控制的不利影响,切实提高稳速控制精度,具有一定的实用价值.     

弧面分度凸轮机构的固有频率分析

以弧面分度凸轮机构为对象,建立了考虑其输入/输出轴的扭转、弯曲刚度及凸轮曲面与滚子间接触刚度等多种因素的动力学模型,在此基础上,重点分析接触刚度、凸轮与分度盘滚子啮合个数的变化、运动规律对系统固有频率的影响。实验结果表明,所建立的动力学模型具有较高的计算精度。     

行星分度凸轮机构的平衡分析

对行星分度凸轮机构的静平衡进行分析，采用划分网格法求凸轮质心，计算了平衡质量，并将参数对机构平衡的影响进行分析。     

基于UG的凸轮机构运动仿真研究

对凸轮机构的运动分析,除用传统的分析方法之外,还可利用UG对其运动进行仿真分析.通过举一凸轮机构的简单例子,详细说明了UG运动仿真的方法和步骤,运动仿真的形式包括关节运动或运动仿真,运动仿真的结果可以用图表和电子表格的形式绘出,从而为机构的优化设计提供参考依据.     

Design and experimental study of a passive power-source-free stiffness-self-adjustable mechanism

Passive variable stiffness joints have unique advantages over active variable stiffness joints and are currently eliciting increased attention. Existing passive variable stiffness joints rely mainly on sensors and special control algorithms, resulting in a bandwidth-limited response speed of the joint. We propose a new passive power-source-free stiffness-self-adjustable mechanism that can be used as the elbow joint of a robot arm. The new mechanism does not require special stiffness regulating motors or sensors and can realize large-range self-adaptive adjustment of stiffness in a purely mechanical manner. The variable stiffness mechanism can automatically adjust joint stiffness in accordance with the magnitude of the payload, and this adjustment is a successful imitation of the stiffness adjustment characteristics of the human elbow. The response speed is high because sensors and control algorithms are not needed. The variable stiffness principle is explained, and the design of the variable stiffness mechanism is analyzed. A prototype is fabricated, and the associated hardware is set up to validate the analytical stiffness model and design experimentally.