基于剛度矩陣的串聯(lián)機器人雙關(guān)節(jié)被動重力平衡研究.pdf

1、在機器人本體中添加重力平衡機構(gòu)能夠有效地減少關(guān)節(jié)電機的負(fù)載，提升機器人系統(tǒng)性能。本文以串聯(lián)機器人為研究對象，依據(jù)被動重力平衡原理提出串聯(lián)機器人純彈簧機構(gòu)重力平衡方法，采用理論推導(dǎo)與實驗驗證的方法分別對機器人重力平衡設(shè)計方法、重力平衡系統(tǒng)性能以及重力平衡控制方案進行探討。
　　首先，利用能量法對單自由度桿件重力平衡進行分析，結(jié)果表明零初長型彈簧能夠?qū)崿F(xiàn)桿件完全重力平衡。通過拉格朗日方程分析傳統(tǒng)重力平衡串聯(lián)機器人和未平衡串聯(lián)機器人動力

2、學(xué)方程差異，可知添加彈簧能夠改善機器人動力學(xué)性能。改變彈簧剛度、安裝位置及角度中的任意參數(shù)均能調(diào)整機器人重力平衡效果。利用能量守恒原理推導(dǎo)出剛度矩陣形式的彈性勢能和重力勢能，并分析彈性剛度矩陣分量矩陣中元素符號和數(shù)值分布特性，以此為基礎(chǔ)總結(jié)出實現(xiàn)機器人重力平衡彈簧安裝的四個必要條件。
　　然后，對影響機器人重力平衡的因素進行理論分析，結(jié)果表明彈簧安裝方式對重力平衡效果影響顯著。根據(jù)重力平衡控制系統(tǒng)特點，采用PID控制方案建立了直流

3、伺服電機的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并利用該模型在MATLAB/Simulink中進行了仿真，仿真結(jié)果表明重力平衡明顯提升了控制系統(tǒng)動態(tài)性能。設(shè)計了等比例縮小雙關(guān)節(jié)機器人虛擬樣機，并在ADAMS中對機器人在不同末端負(fù)載情況下進行了多組動力學(xué)仿真，仿真結(jié)果與本文基于剛度矩陣所建立的重力平衡理論結(jié)果吻合。
　　最后，以雙關(guān)節(jié)機器人虛擬樣機為基礎(chǔ)搭建了雙關(guān)節(jié)機器人重力平衡實驗平臺，用LABVIEW設(shè)計了實驗平臺上位機，并對雙關(guān)節(jié)伺服電機進行了調(diào)