輕型機械臂柔性關(guān)節(jié)設(shè)計與實驗研究.pdf

1、目前，柔性關(guān)節(jié)由于具有高的負載/自重比、低功耗等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于空間、戰(zhàn)場以及家庭等工作位置隨任務(wù)而變以及有輻射等危險工作場合。而SEA作為低輸出阻抗的力輸出驅(qū)動裝置，可以大幅增加關(guān)節(jié)的柔性，并且可以更好地承受沖擊力。本文從柔性關(guān)節(jié)更廣泛的應(yīng)用前景出發(fā)，研制了基于SEA的柔性關(guān)節(jié)，展開以下幾方面工作。
　　本文研制了柔性關(guān)節(jié)機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)。介紹了傳動系統(tǒng)的設(shè)計，并詳細講述了SEA的優(yōu)化設(shè)計過程。通過Workben

2、ch DOE試驗設(shè)計法，分別對SEA常用的幾種形狀進行優(yōu)化設(shè)計，最終確定其三維模型。同時對SEA進行剛度分析，通過其柔性轉(zhuǎn)角-負載轉(zhuǎn)矩、負載轉(zhuǎn)矩-剛度的關(guān)系，分別得出SEA定剛度模型與變剛度模型。設(shè)計傳感器系統(tǒng)，選擇關(guān)節(jié)位置傳感器，設(shè)計關(guān)節(jié)力矩傳感器并對其進行了仿真分析、剛度分析。
　　分別通過SEA定剛度模型與變剛度模型建立相應(yīng)的柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型。首先通過對柔性關(guān)節(jié)進行相應(yīng)的簡化，采用Spong學(xué)者的假設(shè)，將SEA簡化為定剛度

3、的無阻尼線性扭簧建立定剛度關(guān)節(jié)動力學(xué)模型。然后基于SEA變剛度模型，將SEA簡化為剛度可變的無阻尼扭簧，建立變剛度柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)模型。為了簡化控制模型，采用SEA定剛度模型，為克服柔性關(guān)節(jié)非線性因素的影響，提出柔性關(guān)節(jié)的內(nèi)位置環(huán)的力反饋閉環(huán)控制，并分別建立控制模型中位置環(huán)與力環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)與閉環(huán)傳遞函數(shù)。
　　進行柔性關(guān)節(jié)性能實驗，主要進行柔性關(guān)節(jié)剛度分析實驗、力矩傳感器標定實驗和關(guān)節(jié)負載跟隨實驗。建立柔性關(guān)節(jié)的實驗平臺，通過柔