一种粘性阻尼可调的机器人柔顺关节设计

摘要

变阻尼柔顺关节可以改善传统柔顺关节的动态性能，减少柔顺关节引入弹性元件产生的振荡超调问题。近年来已经成为机器人理论与技术研究的前沿和热点，但国内在这方面的研究较为匮乏。为了兼顾机器人关节的安全性和动态性能，对变阻尼柔顺关节的研究十分重要。本文设计了一款机器人阻尼可调柔顺关节，主要从以下几方面进行了研究。 (1)摆脱了以往柔顺关节通过改变刚度改变柔顺性的机理，采用改变粘性阻尼改变柔顺性的方法，设计了一种机器人阻尼可调关节。提出了关节整体设计方案。设计了一种独特的变阻尼原理，通过改变节流孔大小改变阻尼，根据提出的设计原则和指标，利用曲柄滑块、滑环、节流孔、旋转活塞等机构完成了关节的整体设计。 (2)进行了关节阻尼力数学模型的建立，推导了阻尼力矩及阻尼系数的变化特性及范围，对关节进行动力学模型的建立，并用MATLAB/Simulink对动力学模型进行了仿真，探究不同的阻尼系数对关节动态性能的影响。结果表明当阻尼系数较小时，会有较大振动，当阻尼系数较大时，虽然没有了振动，但上升时间较长。最后当阻尼系数取合理值时振动得到了抑制且能快速达到稳定。 (3)对关键零件进行了受力分析跟静态校核，保证零件能够正常运行不会受到破坏。考虑到若电机的激振频率若与工作装置固有频率接近，容易引起共振造成零件振动破坏，所以采用ANSYS软件对关键零件进行模态分析，为以后的对结构优化提供参考。考虑到实际工作中主电机提供给工作装置载荷是随时间任意变化的。所以用ANSYS对关节的关键零件进行了瞬态动力学分析。保证了关键零件的强度。 (4)对变阻尼关节进行试验验证。搭建了样机的实验平台，建立了一种关节的控制策略，主电机运动采用PID位置控制，变阻尼模块基于输入轴输出的相对速度进行运算改变副电机的转角。从而产生设定的阻尼系数，变阻尼柔顺关节设置不同的阻尼值，用传感器采集数据，进行了阶跃位置跟踪实验。观察关节输出端的动态特性，变阻尼关节基本可以达到减少系统振动的目的。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1研究背景及意义

1．2柔顺机械臂的发展综述

1．2．1柔顺关节简介

1．2．2柔顺关节的国外研究现状

1．2．3柔顺关节的国内发展现状

1．2．4研究现状总结

1．3柔顺关节的建模方法

1．4课题来源及主要研究内容

1．4．1课题来源

1．4．2主要研究内容

第二章变阻尼关节的设计

2．1前言

2．2变阻尼关节的总体设计方案

2．2．1变阻尼关节的设计指标

2．2．2变阻尼关节的设计原则

2．2．3变阻尼关节设计思路

2．2．4一种独特变阻尼原理的设计

2．2．5变阻尼关节总体传动方案

2．3变阻尼机构的设计

2．3．1传动装置的设计

2．3．2节流孔的设计

2．3．3副电机选型

2．3．4曲柄滑块的设计

2．4主运动模块结构设计

2．4．1主电机模块的结构设计

2．4．2液压缸结构设计

2．4．3放油环的设计

2．4．4弹性元件的设计

2．4．5密封结构的设计

2．4．6变阻尼关节的整体结构

2．5传感器的选择和集成

2．5．1传感器的选型

2．5．2传感器的集成

2．6本章小结

第三章关节静力学模型和动力学模型的建立

3．1前言

3．2．1变阻尼结构的受力分析

3．3动力学模型的建立

3．3．1串联弹性驱动器的常用动力学模型

3．3．2关节动力学模型的建立

3．4基于MATLAB／Simulink的动力学仿真

3．5本章小结

第四章变阻尼关节的结构特性分析

4．1前言

4．2关键零部件的校核

4．3 ANSYS静力学分析

4．4模态分析

4．4．1自由模态分析

4．4．2约束模态分析

4．5瞬态动力学分析

4．6本章小结

第五章变阻尼关节的实验测试

5．1前言

5．2关节实验平台的搭建

5．2．1测量原理

5．2．2主要测试元件介绍

5．2．3关节样机组装及连接

5．3控制模型建立

5．3．1串联弹性驱动器常用控制方法

5．3．2控制策略建立

5．4关节阶跃位置跟踪实验

5．5本章小结

第六章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

发表论文及参加科研情况

致谢