服务机器人变刚度驱动器关键技术研究

【摘要】随着机器人技术的不断革新，机器人的应用范围逐渐从工业领域拓展到社会服务领域，机器人的工作环境也不再是固定的，而是充满变动和未知。进入到社会服务领域，机器人工作时与人和周围环境的交互极其频繁，这就对机器人的安全性、环境适应性和能量使用率有了更高的要求。关节驱动器是机器人的重要组成部分之一，其设计的好坏很大程度上影响了机器人的整体性能表现。本文从驱动器的机械结构角度出发，在传统的刚性驱动器中集成了弹性元件，设计了变刚度驱动器，并对其安全性和储能特性进行了研究。本文具体工作内容如下：（1）阐述了变刚度驱动器的研究背景及意义，简要介绍了柔顺变刚度驱动器的概念、组成要素、分类及其实现变刚度的基本原理；概述了国内外研究现状，总结了变刚度驱动器的发展趋势；（2）基于有效结构改变刚度的原理，设计了四类弹性元件；详细介绍了弹性元件的设计思路与方法，确立了弹性元件的设计基体；根据拓扑优化设计的流程确定了弹性元件的构型，对影响弹性元件刚度特性的参数进行了分析，并对各类弹性元件进行了对比总结；基于四类弹性元件设计了三类变刚度驱动器，并对其特性和工作过程做了阐述；（3）根据各类弹性元件的结构特点，分别采用解析法和有限元仿真法对其刚度特性进行了分析，得到了各自的刚度特性曲线，并对曲线进行了阐释；利用有限元分析法对各类弹性元件的强度和失稳特性进行了分析；（4）建立了变刚度驱动器的物理简化模型，在此基础上推导得出动力学模型的数学表达式；通过分析开环系统的奈奎斯特曲线和伯德图得到了系统总体的稳定性情况；利用MATLAB/Simulink对系统的响应特性进行了分析；（5）建立了驱动器的碰撞动力学模型，并给出了碰撞发生时安全性的定义及其评价标准；对比分析了传统驱动器与变刚度驱动器在能量输出上的不同；利用ADAMS动力学分析软件，设计了碰撞实验和抛球实验；结果表明变刚度驱动器在碰撞发生时能够保证人机交互的安全性，并且提高了驱动器的能量使用率，利于机器人持久续航；研制了一台变刚度驱动器样机，以便用于后期实验研究。
【作者】张亚平；
【导师】周建军；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】机器人；驱动器；弹性元件；变刚度；

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