欠驅(qū)動(dòng)力合作機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)研究.pdf

1、合作機(jī)器人(collaborativerobot簡(jiǎn)稱cobot)是一種與人在同一作業(yè)空間內(nèi)直接進(jìn)行物理合作的新型機(jī)器人。它繼承了傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)精度高、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)發(fā)揮了操作者的智能、視覺(jué)、觸覺(jué)和靈活性等特長(zhǎng)，使機(jī)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(dòng)強(qiáng)度，而且提高了作業(yè)水平和生產(chǎn)效率。Cobot的突出特點(diǎn)是以被動(dòng)約束方式工作，其關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)使關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，只改變關(guān)節(jié)之間的轉(zhuǎn)速比，來(lái)對(duì)機(jī)器人末端的

2、軌跡進(jìn)行控制。操作者提供了cobot末端運(yùn)動(dòng)的力，cobot的控制系統(tǒng)對(duì)其末端軌跡進(jìn)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(shí)、遙操作中的臨場(chǎng)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(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“被動(dòng)式與人合作機(jī)器人(Cobot)的關(guān)鍵技術(shù)研究”。主要研究在欠驅(qū)動(dòng)力條件下cobot的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，為新型合作機(jī)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(dòng)力合作機(jī)

3、器人的動(dòng)力學(xué)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并基于dSPACE半物理仿真平臺(tái)對(duì)該合作機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 論文在綜述了國(guó)內(nèi)外合作機(jī)器人技術(shù)的研究發(fā)展?fàn)顩r，比較了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有合作機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理基礎(chǔ)上，提出了欠驅(qū)動(dòng)力合作機(jī)器人的概念，闡述了其關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。 根據(jù)合作機(jī)器人的特點(diǎn)，提出了基于操作力的軌跡規(guī)劃方法。根據(jù)cobot末端當(dāng)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(dǎo)了期望軌跡為直線和圓弧時(shí)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(duì)cobot跟蹤直線和圓弧軌跡進(jìn)行了仿真研究。 設(shè)計(jì)了基于雙單向超越離合器的關(guān)節(jié)約束傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。建立了超越離合器的數(shù)學(xué)模型和基于雙超越離合器的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，對(duì)關(guān)節(jié)特性進(jìn)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(dòng)力學(xué)方程，

5、并基于Simulink，MATLAB函數(shù)和SimMechanics建立了三種動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)cobot在不同操作力作用下跟蹤期望軌跡進(jìn)行了仿真研究。 根據(jù)合作機(jī)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(xué)模型，利用MATLAB系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具sisotool對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行了校正設(shè)計(jì)，得到了滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的校正器。建立了提升系統(tǒng)阻抗控制策略的仿真模型，對(duì)該控制策略進(jìn)行了仿真分析。

6、 根據(jù)cobot的工作原理和控制特點(diǎn)，確定了欠驅(qū)動(dòng)力cobot的總體控制方案，詳細(xì)闡述了上位機(jī)dSPACE仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能，以及下位機(jī)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(jī)構(gòu)成框圖，闡述了cobot的工作原理。給出了cobot實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的照片、關(guān)節(jié)約束機(jī)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(tái)對(duì)cobot進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，主要包括cobot末端力傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，非約束