面向人機(jī)協(xié)作的輕型柔順機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制研究.pdf

1、傳統(tǒng)的機(jī)器人多為剛性結(jié)構(gòu)，在工作期間需要與外界環(huán)境進(jìn)行隔離。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人與外界環(huán)境之間的交互越來越多，使得機(jī)器人與外界環(huán)境的安全交互成為重大難題。為保證人與機(jī)器人的和諧安全相處，面向人機(jī)協(xié)作的機(jī)器人相繼問世，機(jī)器人的輕量化和柔順化成為一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。在機(jī)器人本體中，機(jī)械臂是其與外界環(huán)境頻繁接觸的重要部位，因此機(jī)械臂的輕量化和柔順化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互安全性的重要途徑。本文設(shè)計(jì)了一款3DOF的輕型柔順機(jī)械臂

2、，通過選用輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)輕量化，引入彈性元件實(shí)現(xiàn)柔順化，利用柔順控制方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與外界環(huán)境的柔順安全交互。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　模仿人體手臂結(jié)構(gòu)和尺寸，設(shè)計(jì)了一款3DOF的仿人機(jī)械臂，基于線性彈簧設(shè)計(jì)了串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器SEA，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂關(guān)節(jié)的柔順性;通過選用合適材料和零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)輕量化;并對(duì)彈性元件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
　　對(duì)仿人機(jī)械臂進(jìn)行了特性分析:建立了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，計(jì)算了運(yùn)動(dòng)學(xué)的正逆解、雅可

3、比矩陣和工作空間;建立動(dòng)力學(xué)模型，求解了機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的等效作用力矩。
　　搭建機(jī)械臂的控制系統(tǒng)，完成了對(duì)控制系統(tǒng)硬件的選型。利用上位機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的位置PI和速度PI進(jìn)行了設(shè)置，并對(duì)壓力傳感器和MTI位姿傳感器進(jìn)行校正，提出了一種MTI位置修正的方法。
　　模仿太極推平圓運(yùn)動(dòng)，規(guī)劃了機(jī)械臂的末端運(yùn)動(dòng)軌跡，完成了在末端自由狀態(tài)下的位置跟隨性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械臂在末端自由狀態(tài)下具有較好的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和位置跟隨性，驗(yàn)證了機(jī)械臂設(shè)