被動式五連桿人機合作機器人研究.pdf

1、人機合作機器人(CollaborativeRobot簡稱Cobot)是一種新型的特種機器人。它將傳統(tǒng)工業(yè)機器人的作業(yè)精度高，承載能力大的優(yōu)點和操作者的靈活性、柔順性好的優(yōu)點結合起來，使機器人和操作者能夠在同一工作空間內協(xié)同作業(yè)，從而顯著的降低作業(yè)強度，提高作業(yè)精度及勞動效率。Cobot的顯著特點是以被動方式和約束方式工作，其電動機的運動不會使關節(jié)運動，它只改變關節(jié)之間的速度關系，從而對機器人末端的運動方向進行約束控制，實現(xiàn)機器人的運動軌

2、跡控制。操作者和Cobot合作時，承載重力、軌跡控制由Cobot完成，操作者提供Cobot末端運動的力。Cobot在智能助力作業(yè)設備、醫(yī)療中的外科手術、虛擬現(xiàn)實、遙操作中的臨場感技術以及日常生活等方面具有廣泛的應用前景。 本論文的研究工作來自于國家自然科學基金項目“被動式與人合作機器人(Cobot)的關鍵技術研究”。主要研究目的是研制出具有被動特性和軌跡約束特性的人機合作機器人。主要研究人機合作機器人的機構、控制系統(tǒng)、運動學和動

3、力學特性、控制策略等內容，并研制了原理樣機，對人機合作機器人的特性進行了實驗研究。 論文首先綜述了國內外人機合作機器人(或相關)領域的研究現(xiàn)狀。在對國內外現(xiàn)有人機合作機器人的機構、工作原理、控制方式分析和比較的基礎上，提出了五連桿式人機合作機器人的機構方案、控制方案和控制策略。 根據(jù)人機合作機器人的特點和控制要求，設計了基于雙單向超越離合器和雙直流電動機的不完全約束傳動機構(NCT)。利用單向超越離合器的單向超越特性和蝸

4、輪蝸桿的反向自鎖特性，使機構具有被動特性和速度約束特性，可以用于人機合作機器人關節(jié)機構的運動約束。 研制了由兩套不完全約束傳動機構和五連桿機構組成的人機合作機器人樣機，采用的是并聯(lián)耦合機構。NCT都安裝在基座上，在基座關節(jié)上裝有增量式編碼器，在機器人的末端裝有可測量操作者操作力的力傳感器，該機器人樣機具有人機合作機器人的基本特點。 論文利用D-H法對五桿Cobot運動學正、逆過程進行了分析，推導出位置、速度和加速度的正、

5、逆運動學方程。利用MATLAB軟件中的SimMechanics對所推導的機器人運動學正逆分析的結果進行檢驗。對機器人末端勻速運動時機座關節(jié)的角速度變化情況進行了分析。對Cobot的速度約束特性進行了仿真。 利用Kane方法對五桿Cobot的動力學進行了分析，推導出其自由模式和約束模式時的動力學方程。并對有無摩擦兩種情況的動力學進行了仿真分析。 論文提出了Cobot的兩種控制策略，以速度約束實現(xiàn)的虛擬軌跡控制策略和以位置約

6、束實現(xiàn)的虛擬軌跡控制策略，兩種控制策略的主要區(qū)別是產(chǎn)生控制量的方法不同。利用兩種控制策略對直線和圓弧軌跡進行了軌跡約束控制仿真分析。 論文對五連桿式Cobot控制系統(tǒng)的上位機和下位機硬件和軟件進行了研究，實現(xiàn)了機器人的數(shù)據(jù)通訊以及自由模式、鎖定模式和約束模式等功能。 進行了人機合作機器人的實驗研究。實驗內容包括下位機的速度伺服性能實驗、上下位機通訊性能實驗、標定實驗、位移正逆分析實驗以及Cobot自由模式、鎖定模式和約束