面向人機協(xié)作的輕型柔順機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制研究.pdf

1、傳統(tǒng)的機器人多為剛性結(jié)構(gòu)，在工作期間需要與外界環(huán)境進行隔離。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機器人和服務(wù)機器人與外界環(huán)境之間的交互越來越多，使得機器人與外界環(huán)境的安全交互成為重大難題。為保證人與機器人的和諧安全相處，面向人機協(xié)作的機器人相繼問世，機器人的輕量化和柔順化成為一個重要的發(fā)展趨勢。在機器人本體中，機械臂是其與外界環(huán)境頻繁接觸的重要部位，因此機械臂的輕量化和柔順化設(shè)計是實現(xiàn)人機交互安全性的重要途徑。本文設(shè)計了一款3DOF的輕型柔順機械臂

2、，通過選用輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法實現(xiàn)輕量化，引入彈性元件實現(xiàn)柔順化，利用柔順控制方案，實現(xiàn)機械臂與外界環(huán)境的柔順安全交互。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　模仿人體手臂結(jié)構(gòu)和尺寸，設(shè)計了一款3DOF的仿人機械臂，基于線性彈簧設(shè)計了串聯(lián)彈性驅(qū)動器SEA，實現(xiàn)機械臂關(guān)節(jié)的柔順性;通過選用合適材料和零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實現(xiàn)輕量化;并對彈性元件進行設(shè)計。
　　對仿人機械臂進行了特性分析:建立了機械臂的運動學(xué)模型，計算了運動學(xué)的正逆解、雅可

3、比矩陣和工作空間;建立動力學(xué)模型，求解了機械臂各關(guān)節(jié)的等效作用力矩。
　　搭建機械臂的控制系統(tǒng)，完成了對控制系統(tǒng)硬件的選型。利用上位機對驅(qū)動舵機的位置PI和速度PI進行了設(shè)置，并對壓力傳感器和MTI位姿傳感器進行校正，提出了一種MTI位置修正的方法。
　　模仿太極推平圓運動，規(guī)劃了機械臂的末端運動軌跡，完成了在末端自由狀態(tài)下的位置跟隨性實驗，實驗結(jié)果表明，機械臂在末端自由狀態(tài)下具有較好的運動穩(wěn)定性和位置跟隨性，驗證了機械臂設(shè)