被動式五連桿人機(jī)合作機(jī)器人研究.pdf

1、人機(jī)合作機(jī)器人(CollaborativeRobot簡稱Cobot)是一種新型的特種機(jī)器人。它將傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)精度高，承載能力大的優(yōu)點(diǎn)和操作者的靈活性、柔順性好的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，使機(jī)器人和操作者能夠在同一工作空間內(nèi)協(xié)同作業(yè)，從而顯著的降低作業(yè)強(qiáng)度，提高作業(yè)精度及勞動效率。Cobot的顯著特點(diǎn)是以被動方式和約束方式工作，其電動機(jī)的運(yùn)動不會使關(guān)節(jié)運(yùn)動，它只改變關(guān)節(jié)之間的速度關(guān)系，從而對機(jī)器人末端的運(yùn)動方向進(jìn)行約束控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)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(yùn)動的力。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(shí)、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。 本論文的研究工作來自于國家自然科學(xué)基金項目“被動式與人合作機(jī)器人(Cobot)的關(guān)鍵技術(shù)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(jī)合作機(jī)器人。主要研究人機(jī)合作機(jī)器人的機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、運(yùn)動學(xué)和動

3、力學(xué)特性、控制策略等內(nèi)容，并研制了原理樣機(jī)，對人機(jī)合作機(jī)器人的特性進(jìn)行了實(shí)驗研究。 論文首先綜述了國內(nèi)外人機(jī)合作機(jī)器人(或相關(guān))領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。在對國內(nèi)外現(xiàn)有人機(jī)合作機(jī)器人的機(jī)構(gòu)、工作原理、控制方式分析和比較的基礎(chǔ)上，提出了五連桿式人機(jī)合作機(jī)器人的機(jī)構(gòu)方案、控制方案和控制策略。 根據(jù)人機(jī)合作機(jī)器人的特點(diǎn)和控制要求，設(shè)計了基于雙單向超越離合器和雙直流電動機(jī)的不完全約束傳動機(jī)構(gòu)(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(jī)構(gòu)具有被動特性和速度約束特性，可以用于人機(jī)合作機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動約束。 研制了由兩套不完全約束傳動機(jī)構(gòu)和五連桿機(jī)構(gòu)組成的人機(jī)合作機(jī)器人樣機(jī)，采用的是并聯(lián)耦合機(jī)構(gòu)。NCT都安裝在基座上，在基座關(guān)節(jié)上裝有增量式編碼器，在機(jī)器人的末端裝有可測量操作者操作力的力傳感器，該機(jī)器人樣機(jī)具有人機(jī)合作機(jī)器人的基本特點(diǎn)。 論文利用D-H法對五桿Cobot運(yùn)動學(xué)正、逆過程進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出位置、速度和加速度的正、

5、逆運(yùn)動學(xué)方程。利用MATLAB軟件中的SimMechanics對所推導(dǎo)的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正逆分析的結(jié)果進(jìn)行檢驗。對機(jī)器人末端勻速運(yùn)動時機(jī)座關(guān)節(jié)的角速度變化情況進(jìn)行了分析。對Cobot的速度約束特性進(jìn)行了仿真。 利用Kane方法對五桿Cobot的動力學(xué)進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出其自由模式和約束模式時的動力學(xué)方程。并對有無摩擦兩種情況的動力學(xué)進(jìn)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(shí)現(xiàn)的虛擬軌跡控制策略和以位置約

6、束實(shí)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(jìn)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(jī)和下位機(jī)硬件和軟件進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了機(jī)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(jìn)行了人機(jī)合作機(jī)器人的實(shí)驗研究。實(shí)驗內(nèi)容包括下位機(jī)的速度伺服性能實(shí)驗、上下位機(jī)通訊性能實(shí)驗、標(biāo)定實(shí)驗、位移正逆分析實(shí)驗以及Cobot自由模式、鎖定模式和約束