服务机器人关节变刚度柔顺驱动器研究

摘要

随着机器人技术的发展，机器人从传统的工业领域里被解放出来，进入了其他非工业领域。由于服务机器人与人的交互颇为频繁；人类工作环境的复杂多变，这对机器人提出了严苛的要求。关节驱动器是服务机器人尤其是仿人型机器人的驱动来源，其性能好坏直接影响机器人的整体性能。传统恒刚性的关节驱动器设计无法满足服务机器人的需要。
　　研究具有类似肌肉粘弹性性质的柔顺关节驱动器对提高系统的控制速度和简化控制系统以改善服务机器人性能尤其是安全性及其对未知环境的适应性方面有着重要意义。本文提出一种基于平面扭簧的变刚度柔顺驱动器，并对其进行了研究，具体的工作内容如下：
　　(1)介绍了关节柔顺驱动器的研究背景和意义；概述了柔顺驱动器的概念，特点和分类；综述了变刚度柔顺驱动器的国内外研究现状和发展趋势，并对现有的柔顺驱动器的特点进行了归纳总结。
　　(2)总结了现有柔顺驱动器的变刚度原理，从平衡位置、拮抗结构、有效结构和机构调整对其进行了分类和介绍并比较了四者的优缺点；提出了两类基于拮抗原理的变刚度机构，对其特点进行了分析和对比，给出了各自的改进思路与方法。
　　(3)利用柔顺机构的设计理念，对已有的两类变刚度机构进行了改进，设计了两类三种平面扭簧(A/B/C型)。对三者的设计思路与结构进行了详细地阐述，并简单讨论了其加工工艺。基于平面扭簧设计了三种变刚度柔顺驱动器，分别对其余零件的主要参数和结构进行了设计。
　　(4)分别利用解析法和仿真法对所设计的平面扭簧进行了相应的刚度分析，得到平面扭簧的刚度特性曲线，并比较两种方法的特点，阐明了它们的适用场合。利用Solidworks/simulation模块对平面扭簧的结构强度进行了分析。
　　(5)为了测试所设计的三种柔顺驱动器的性能，基于Solidworks自带的Motion模块，设计了两个仿真试验。比较了三者与刚性驱动器在安全性和储能性两方面的差异。

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1 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2柔顺驱动器概述

1.3国内外研究现状与发展趋势

1.4课题来源

1.5本文内容

1.6小结

2 变刚度原理及变刚度结构设计

2.1引言

2.2变刚度原理

2.3变刚度机构设计

2.4小结

3 平面扭簧与柔顺驱动器设计

3.1引言

3.2平面扭簧设计

3.3柔顺驱动器设计

3.4小结

4平面扭簧刚度、强度分析

4.1引言

4.2刚度分析——解析法

4.3刚度分析——仿真法

4.4强度分析

4.5小结

5 柔顺驱动器性能仿真测试

5.1引言

5.2 solidworks/motion概述

5.3安全性测试——撞击实验

5.4储能测试——抛球实验

5.5小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录