服務機器人變剛度驅(qū)動器關鍵技術研究.pdf

1、隨著機器人技術的不斷革新,機器人的應用范圍逐漸從工業(yè)領域拓展到社會服務領域,機器人的工作環(huán)境也不再是固定的,而是充滿變動和未知。進入到社會服務領域,機器人工作時與人和周圍環(huán)境的交互極其頻繁,這就對機器人的安全性、環(huán)境適應性和能量使用率有了更高的要求。關節(jié)驅(qū)動器是機器人的重要組成部分之一,其設計的好壞很大程度上影響了機器人的整體性能表現(xiàn)。本文從驅(qū)動器的機械結(jié)構角度出發(fā),在傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動器中集成了彈性元件,設計了變剛度驅(qū)動器,并對其安全性和

2、儲能特性進行了研究。本文具體工作內(nèi)容如下:
　　(1)闡述了變剛度驅(qū)動器的研究背景及意義,簡要介紹了柔順變剛度驅(qū)動器的概念、組成要素、分類及其實現(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)動器的發(fā)展趨勢;
　　(2)基于有效結(jié)構改變剛度的原理,設計了四類彈性元件;詳細介紹了彈性元件的設計思路與方法,確立了彈性元件的設計基體;根據(jù)拓撲優(yōu)化設計的流程確定了彈性元件的構型,對影響彈性元件剛度特性的參數(shù)進行了分析,并對各

3、類彈性元件進行了對比總結(jié);基于四類彈性元件設計了三類變剛度驅(qū)動器,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)構特點,分別采用解析法和有限元仿真法對其剛度特性進行了分析,得到了各自的剛度特性曲線,并對曲線進行了闡釋;利用有限元分析法對各類彈性元件的強度和失穩(wěn)特性進行了分析;
　　(4)建立了變剛度驅(qū)動器的物理簡化模型,在此基礎上推導得出動力學模型的數(shù)學表達式;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)的響應特性進行了分析;
　　(5)建立了驅(qū)動器的碰撞動力學模型,并給出了碰撞發(fā)生時安全性的定義及其評價標準;對比分析了傳統(tǒng)驅(qū)動器與變剛度驅(qū)動器在能量輸出上的不同;利用ADAMS動力學分析軟件,設計了碰撞實驗和拋球?qū)嶒?結(jié)果表明變剛度驅(qū)動器在碰撞發(fā)生時能夠保證人機交互的安全性,并且提高了驅(qū)動器的能量使用率,利于機器人持久續(xù)航;研制了一臺變剛度驅(qū)動器樣機,以便用于后期實驗研究。