柔性機械臂變剛度關節(jié)的設計及實驗研究.pdf

1、變剛度關節(jié)由于具有高負載/自重比、高的柔順性、良好的緩沖功能等，使機器人在安全性、環(huán)境適應性和能量利用率方面具有突出的表現(xiàn)，近年來成為柔性機器人研究領域的熱點。本文從變剛度關節(jié)的應用前景出發(fā)，設計了一款主動變剛度關節(jié)，開展了以下幾方面的工作。
　　(1)設計了整個關節(jié)的結構。首先，提出了關節(jié)的設計指標，闡述了變剛度的力學原理，采用諧波減速器和變剛度機構串聯(lián)的形式，通過凸輪盤—滾子—彈簧系統(tǒng)實現(xiàn)關節(jié)剛度的變化；其次，確定了總體傳動方

2、案，依次設計了各個模塊的結構，分為核心模塊、主電機模塊和剛度調節(jié)模塊；最后，進行了關節(jié)傳感器的集成設計和限位保護，防止關節(jié)由于沖擊而超過最大變形角。
　　(2)進行了關節(jié)的特性分析及校核優(yōu)化設計。對初步設計的核心模塊進行受力分析，并通過ADAMS仿真驗證理論計算的正確性，繪制了幾種不同剛度預設值時，關節(jié)的扭矩和剛度特性，為關節(jié)的控制提供一定的參考。對關鍵零部件進行靜態(tài)和動態(tài)ANSYS強度校核，優(yōu)化了關節(jié)的部分結構，不管是緩慢運動還

3、是承受較大的沖擊，關節(jié)都能正常運行，不會輕易地遭到破壞。
　　(3)建立了關節(jié)的動力學和控制模型。由于變剛度關節(jié)和串聯(lián)彈性驅動器(SEA)具有一定的相似性，因此，首先歸納總結了串聯(lián)彈性驅動器的常用動力學模型和常用控制方法；其次，針對目前SEA動力學模型過于簡化，逐步深入探討了建模時需考慮的因素，在此基礎上建立了完善的動力學模型并通過Simulink進行動力學性能仿真，結果表明關節(jié)具有較大的響應帶寬；最后，基于力源控制思想采用PID

4、控制方法建立了關節(jié)的控制模型，并推導了系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，通過Simulink分析了系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)特性，結果表明PID控制確實能大幅提高關節(jié)的力輸出性能，不管是跟隨期望階躍信號還是正弦信號，關節(jié)的力輸出都具有很好地跟隨特性，表現(xiàn)出較好的魯棒性。
　　(4)在不改變任何核心模塊結構的基礎上，搭建了簡易的關節(jié)樣機，采集了關節(jié)的部分數(shù)據(jù)，并分析了誤差的主要來源。結果表明所設計的關節(jié)具有一定的變剛度特性，但關節(jié)的實際性能并不是很好