基于串联弹性驱动器的并联柔顺手腕的设计

摘要

机械臂的腕关节对于确定末端执行器的位姿以及接触状态具有重要作用，其性能直接决定了整个机械臂性能的优劣，传统的机械臂腕关节多为串联刚性结构，具有较大的工作空间、较高定位精度和响应速度，但是刚性结构对环境的适应性比较差。在康复医疗、家居服务、工业协作等机器人应用环境中，由于人机交互过程存在不可预知性，刚性结构的机械臂容易对人造成伤害，机械臂的柔顺化设计是解决下一代服务机器人社会应用的一个重要课题。本文设计了一款并联三自由度柔顺手腕—SoftWrist，并基于串联弹性驱动器的概念，设计了柔顺手腕的驱动结构，设计制作样机，并进行了实验验证。
　　本文以人体上肢运动学为研究背景，设计3SPS-1S并联机构作为机器人手腕的原型机构，将3个移动副作为驱动副，该柔顺手腕可实现腕关节的外展/内收、伸展/弯曲、外旋/内旋三个转动。建立机器人手腕机构的运动学模型，求解运动学逆解、并推导雅可比矩阵。编写Matlab程序求出SoftWrist的工作空间并实现三维可视化，分析了不同结构参数对工作空间的影响，进行驱动支链的尺寸综合，求解得到驱动支链变化范围。基于可操作度的方法分析了机构的奇异位形和灵活性。最终确定并联手腕的结构尺寸。为实现并联手腕的柔顺化，将弹簧组与电动推杆结合，设计了直线型的双串联弹性驱动器，提出SEA模块的弹簧刚度的确定方法，并设计计算了弹簧参数。绘制SoftWrist样机的三维图和工程图纸，并通过材料选择和结构优化实现柔顺手腕的轻量化设计，制作了SoftWrist样机，采用STM32搭建了SoftWrist的控制系统。完成了刚性和柔性手腕的位姿控制对比实验，实验结果表明SoftWrist具有近似刚性手腕的调姿能力。通过静止和运动状态下的柔顺性实验，验证了该机构具有很好的被动柔顺性以及通过柔顺性控制策略可实现更高的主动柔顺。

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致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 人体腕关节结构与运动

1．2．1 人体上肢的组成

1．2．2 腕关节的组成

1．2．3 腕关节运动分析

1．2．4 腕关节运动模型

1．3 机器人的手腕

1．3．1 串联手腕的研究与应用现状

1．3．2 并联手腕的研究与应用现状

1．4 手腕柔顺性研究现状

1．5 串联弹性驱动器技术研究现状

1．6 本文主要研究内容与章节安排

2 并联手腕结构设计及运动学分析

2．1 并联手腕机构选型

2．2 运动学建模

2．3 位置分析

2．4 速度分析

2．5 工作空间分析

2．5．1 工作空间的求解

2．5．2 驱动支链的尺寸确定

2．5．3 结构参数对工作空间的影响分析

2．6 奇异位形分析

2．7 并联柔顺手腕的结构尺寸

2．8 本章小结

3 并联手腕的柔顺化设计

3．1 SEA模块的结构设计

3．2 SEA模块的弹簧设计

3．2．1 刚度分析

3．2．2 弹簧刚度的确定方法

3．2．3 弹簧的设计计算

3．3 本章小结

4 并联柔顺手腕样机研制

4．1 样机设计

4．2 关键零件的轻量化设计

4．2．1 材料轻量化

4．2．2 结构轻量化

4．3 控制系统设计

4．3．1 控制方案设计

4．3．2 控制系统硬件选型

4．3．3 控制系统软件设计

4．4 本章小结

5 并联柔顺手腕实验

5．1 手腕位姿控制实验及效果评价

5．2 手腕柔顺性控制实验及效果评价

5．3 本章小结

6 结论与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士／博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集