【摘 要】
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近年来,随着机器人应用领域的扩展和工作任务的多样性,传统的机器人由于关节结构采用大刚度的设计,难以实现柔顺化运动和安全的人机交互。本文基于串联弹性驱动器技术,仿照人体手臂肌肉-肌腱组织形式和运动机理,设计了一款三自由度仿生机械手臂,用于机械臂的柔顺化运动研究,其柔性关节采用一种柔绳张拉的拮抗式弹簧组合作为弹性驱动传动结构,具有抗冲击性能。本文主要完成的内容如下:首先,参考人手臂尺寸和运动特征,设计
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近年来,随着机器人应用领域的扩展和工作任务的多样性,传统的机器人由于关节结构采用大刚度的设计,难以实现柔顺化运动和安全的人机交互。本文基于串联弹性驱动器技术,仿照人体手臂肌肉-肌腱组织形式和运动机理,设计了一款三自由度仿生机械手臂,用于机械臂的柔顺化运动研究,其柔性关节采用一种柔绳张拉的拮抗式弹簧组合作为弹性驱动传动结构,具有抗冲击性能。本文主要完成的内容如下:首先,参考人手臂尺寸和运动特征,设计了具有肩部横滚关节、肩部俯仰关节和肘部俯仰关节的三自由度仿生机械臂并利用CATIA进行三维模型的建造,提出了柔性关节“减速电机+弹性元件+负载”的设计方案;根据人体肌肉-肌腱“Hill-Type”简化模型和手臂拮抗肌的工作原理,针对柔性关节设计了一种主动弹簧驱动和被动弹簧约束的拮抗式弹簧组合,以实现关节的被动柔顺性;完成了控制板、减速电机、传感器等关键元器件的选型设计并搭建了实验样机。其次,建立了三自由度仿生机械臂的简化坐标系,确定D-H参数表,进行了机械臂的运动学建模,通过矩阵变换,计算得到了机械臂执行末端的位姿矩阵和雅可比矩阵,完成了仿生机械臂的运动学分析;对柔性关节进行动力学分析,在电机端和连杆端分别建立了动力学模型。然后,在ADAMS中构建了柔顺机械臂虚拟样机,采用控制变量法对弹簧参数进行选型实验,完成了柔性关节的刚度设计;在建立的虚拟样机的基础上对仿生机械臂进行驱动仿真实验,通过对关节位置、角速度和角加速度曲线的分析,验证了仿生机械臂对于不同形式的驱动信号都能表现出良好的适应性能;针对柔性关节进行了静动态冲击仿真实验,验证了仿生机械臂关节的抗冲击性能。最后,确定了仿生机械臂的控制策略,利用搭建的实验样机平台,对三自由度仿生机械臂进行实验研究。针对柔顺性能进行了人机对推实验,结果表明机械臂可以实现一定的运动柔顺化,与人能够保持安全的交互动作;针对柔性关节的抗冲击性能进行了静动态冲击实验,结果表明关节中的拮抗式弹簧组在关节输出端受到冲击时,可以产生较大的柔性变形,具有快速减振的缓冲能力,对关节内部结构起到一定的保护作用。
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