服务机器人模块化柔性关节研制及其控制技术研究

摘要

随着社会生产和生活方式的快速变化以及人口老龄化的加剧，我国服务机器人的需求量也随之增加。在服务机器人使用过程中，人和服务机器人想要从“主仆关系”变成真正的“伙伴关系”，人的安全性尤为重要。柔性关节具有安全交互、抗冲击的特点，将其应用到服务机器人关节结构中可提高人机协作过程的安全性。本课题设计一种模块化柔性关节并对其开展控制研究。
　　首先，柔性关节频域特性分析。建立柔性关节的简化模型，在频域下分析不同驱动源对柔性关节系统稳定性、输出带宽、幅频和相位跟随性的影响，以及刚度系数和阻尼系数对开环闭环系统稳定性的影响，并在力源驱动模型下分析柔性关节的关节输出阻抗和抗冲击性，充分分析柔性关节的关节特性。
　　然后，模块化柔性关节的总体设计。根据柔性关节的实际应用场合，制定该柔性关节的技术指标，依据技术指标基于模块化设计思想对柔性关节进行总体设计，包括结构设计和控制系统设计，并对关键零部件弹性元件进行专门的设计和分析，利用有限元法进行尺寸优化设计，通过仿真软件验证该弹性元件设计的合理性。
　　其次，柔性关节动力学建模及控制仿真。在力源驱动下建立柔性关节的动力学模型，同时考虑关节摩擦、外界力矩扰动对柔性关节系统的影响，根据建立的动力学模型设计两种位置控制算法，分别为基于重力补偿的PD控制和基于模糊控制的PD控制，通过仿真分析柔性关节位置保持、位置跟随时控制算法的快速性、准确性及总结两种控制算法的优缺点。为了使得柔性关节具有柔顺性、安全性的特点，还设计两种阻抗控制器，分别为基于重力补偿的阻抗控制器和基于遗忘系数的自适应阻抗控制器，柔性关节采用内环为位置控制的阻抗控制，通过仿真分析柔性关节与刚度变化的环境接触时不同阻抗控制器的力、位置跟随性，抗干扰性及环境适应性，验证阻抗控制器的有效性。
　　最后，搭建模块化柔性关节实验平台，开展位置控制实验，验证位置控制算法的有效性及柔性关节的合理性。

目录

第1章 绪论

1.1课题来源

1.2研究背景意义

1.3柔性关节研究现状

1.4柔性关节模型与控制算法研究现状

1.5主要研究内容

第2章 柔性关节频域特性分析

2.1引言

2.2机器人的交互控制

2.3柔性关节动力学模型的建立

2.4不同驱动源下系统稳定性分析

2.5柔性关节系统性能分析

2.6本章小结

第3章 模块化柔性关节的总体设计

3.1引言

3.2模块化柔性关节总体设计

3.3弹性元件的设计与分析

3.4本章小结

第4章 柔性关节动力学建模及控制仿真

4.1引言

4.2柔性关节的动力学模型

4.3柔性关节位置控制研究

4.4柔性关节阻抗控制研究

4.5本章小结

第5章 模块化柔性关节实验

5.1引言

5.2柔性关节实验平台搭建

5.3刚度标定实验

5.4直线位移传感器标定实验

5.5关节位置控制实验

5.6本章小节

结论

参考文献

攻读学位期间发表过的学术论文及其它成果

声明

致谢