欠驅(qū)動力合作機器人的驅(qū)動及控制技術(shù)研究.pdf

1、合作機器人(collaborativerobot簡稱cobot)是一種與人在同一作業(yè)空間內(nèi)直接進行物理合作的新型機器人。它繼承了傳統(tǒng)工業(yè)機器人的作業(yè)精度高、承載能力強的特點，同時發(fā)揮了操作者的智能、視覺、觸覺和靈活性等特長，使機器人與操作者在同一作業(yè)空間內(nèi)合作成為可能。不僅降低了勞動強度，而且提高了作業(yè)水平和生產(chǎn)效率。Cobot的突出特點是以被動約束方式工作，其關(guān)節(jié)電動機的運動不會使關(guān)節(jié)產(chǎn)生運動，只改變關(guān)節(jié)之間的轉(zhuǎn)速比，來對機器人末端的

2、軌跡進行控制。操作者提供了cobot末端運動的力，cobot的控制系統(tǒng)對其末端軌跡進行約束控制。Cobot在智能助力作業(yè)設(shè)備、醫(yī)療中的外科手術(shù)、虛擬現(xiàn)實、遙操作中的臨場感技術(shù)以及日常生活等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。 論文的研究課題來源于國家自然科學基金項目“被動式與人合作機器人(Cobot)的關(guān)鍵技術(shù)研究”。主要研究在欠驅(qū)動力條件下cobot的驅(qū)動控制技術(shù)，為新型合作機器人產(chǎn)品的研制和工程化提供理論依據(jù)。主要內(nèi)容包括欠驅(qū)動力合作機

3、器人的動力學特性、虛擬軌跡控制策略、微操作力提升系統(tǒng)的控制策略等，開發(fā)研制了實驗樣機，并基于dSPACE半物理仿真平臺對該合作機器人進行了實驗研究。 論文在綜述了國內(nèi)外合作機器人技術(shù)的研究發(fā)展狀況，比較了國內(nèi)外現(xiàn)有合作機器人的機構(gòu)特點、工作原理基礎(chǔ)上，提出了欠驅(qū)動力合作機器人的概念，闡述了其關(guān)節(jié)機構(gòu)特點和工作原理。 根據(jù)合作機器人的特點，提出了基于操作力的軌跡規(guī)劃方法。根據(jù)cobot末端當前位置、操作力和期望軌跡，利用微

4、分幾何原理建立了cobot的虛擬軌跡控制模型，推導了期望軌跡為直線和圓弧時的軌跡規(guī)劃模型。建立了cobot軌跡控制的Simulink模型和SimMechanics模型，對cobot跟蹤直線和圓弧軌跡進行了仿真研究。 設(shè)計了基于雙單向超越離合器的關(guān)節(jié)約束傳動機構(gòu)。建立了超越離合器的數(shù)學模型和基于雙超越離合器的關(guān)節(jié)機構(gòu)數(shù)學模型，對關(guān)節(jié)特性進行了仿真分析。應(yīng)用拉格朗日功能平衡法和牛頓－歐拉法(閉環(huán)矢量法)建立了cobot的動力學方程，

5、并基于Simulink，MATLAB函數(shù)和SimMechanics建立了三種動力學仿真模型，對cobot在不同操作力作用下跟蹤期望軌跡進行了仿真研究。 根據(jù)合作機器人提升系統(tǒng)的組成和工作原理，提出了順應(yīng)操作者特性的阻抗控制策略。建立了微操作力提升系統(tǒng)的數(shù)學模型，利用MATLAB系統(tǒng)設(shè)計工具sisotool對提升系統(tǒng)進行了校正設(shè)計，得到了滿足系統(tǒng)性能指標的校正器。建立了提升系統(tǒng)阻抗控制策略的仿真模型，對該控制策略進行了仿真分析。

6、 根據(jù)cobot的工作原理和控制特點，確定了欠驅(qū)動力cobot的總體控制方案，詳細闡述了上位機dSPACE仿真系統(tǒng)的特點和功能，以及下位機關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)和提升控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。繪制了cobot原理樣機構(gòu)成框圖，闡述了cobot的工作原理。給出了cobot實驗樣機的照片、關(guān)節(jié)約束機構(gòu)照片，以及微操作力提升系統(tǒng)的照片等。 基于dSPACE半物理仿真平臺對cobot進行了實驗研究，主要包括cobot末端力傳感器的標定實驗，非約束