服務(wù)機(jī)器人變剛度驅(qū)動(dòng)器關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷革新,機(jī)器人的應(yīng)用范圍逐漸從工業(yè)領(lǐng)域拓展到社會(huì)服務(wù)領(lǐng)域,機(jī)器人的工作環(huán)境也不再是固定的,而是充滿變動(dòng)和未知。進(jìn)入到社會(huì)服務(wù)領(lǐng)域,機(jī)器人工作時(shí)與人和周圍環(huán)境的交互極其頻繁,這就對機(jī)器人的安全性、環(huán)境適應(yīng)性和能量使用率有了更高的要求。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器是機(jī)器人的重要組成部分之一,其設(shè)計(jì)的好壞很大程度上影響了機(jī)器人的整體性能表現(xiàn)。本文從驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)角度出發(fā),在傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動(dòng)器中集成了彈性元件,設(shè)計(jì)了變剛度驅(qū)動(dòng)器,并對其安全性和

2、儲(chǔ)能特性進(jìn)行了研究。本文具體工作內(nèi)容如下:
　　(1)闡述了變剛度驅(qū)動(dòng)器的研究背景及意義,簡要介紹了柔順變剛度驅(qū)動(dòng)器的概念、組成要素、分類及其實(shí)現(xiàn)變剛度的基本原理;概述了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,總結(jié)了變剛度驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展趨勢;
　　(2)基于有效結(jié)構(gòu)改變剛度的原理,設(shè)計(jì)了四類彈性元件;詳細(xì)介紹了彈性元件的設(shè)計(jì)思路與方法,確立了彈性元件的設(shè)計(jì)基體;根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的流程確定了彈性元件的構(gòu)型,對影響彈性元件剛度特性的參數(shù)進(jìn)行了分析,并對各

3、類彈性元件進(jìn)行了對比總結(jié);基于四類彈性元件設(shè)計(jì)了三類變剛度驅(qū)動(dòng)器,并對其特性和工作過程做了闡述;
　　(3)根據(jù)各類彈性元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分別采用解析法和有限元仿真法對其剛度特性進(jìn)行了分析,得到了各自的剛度特性曲線,并對曲線進(jìn)行了闡釋;利用有限元分析法對各類彈性元件的強(qiáng)度和失穩(wěn)特性進(jìn)行了分析;
　　(4)建立了變剛度驅(qū)動(dòng)器的物理簡化模型,在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式;通過分析開環(huán)系統(tǒng)的奈奎斯特曲線和伯德圖得到了系統(tǒng)

4、總體的穩(wěn)定性情況;利用MATLAB/Simulink對系統(tǒng)的響應(yīng)特性進(jìn)行了分析;
　　(5)建立了驅(qū)動(dòng)器的碰撞動(dòng)力學(xué)模型,并給出了碰撞發(fā)生時(shí)安全性的定義及其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn);對比分析了傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器與變剛度驅(qū)動(dòng)器在能量輸出上的不同;利用ADAMS動(dòng)力學(xué)分析軟件,設(shè)計(jì)了碰撞實(shí)驗(yàn)和拋球?qū)嶒?yàn);結(jié)果表明變剛度驅(qū)動(dòng)器在碰撞發(fā)生時(shí)能夠保證人機(jī)交互的安全性,并且提高了驅(qū)動(dòng)器的能量使用率,利于機(jī)器人持久續(xù)航;研制了一臺(tái)變剛度驅(qū)動(dòng)器樣機(jī),以便用于后期實(shí)驗(yàn)研究。