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文檔簡介
1、變剛度關(guān)節(jié)由于具有高負(fù)載/自重比、高的柔順性、良好的緩沖功能等,使機(jī)器人在安全性、環(huán)境適應(yīng)性和能量利用率方面具有突出的表現(xiàn),近年來成為柔性機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。本文從變剛度關(guān)節(jié)的應(yīng)用前景出發(fā),設(shè)計(jì)了一款主動(dòng)變剛度關(guān)節(jié),開展了以下幾方面的工作。
(1)設(shè)計(jì)了整個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。首先,提出了關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)指標(biāo),闡述了變剛度的力學(xué)原理,采用諧波減速器和變剛度機(jī)構(gòu)串聯(lián)的形式,通過凸輪盤—滾子—彈簧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的變化;其次,確定了總體傳動(dòng)方
2、案,依次設(shè)計(jì)了各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu),分為核心模塊、主電機(jī)模塊和剛度調(diào)節(jié)模塊;最后,進(jìn)行了關(guān)節(jié)傳感器的集成設(shè)計(jì)和限位保護(hù),防止關(guān)節(jié)由于沖擊而超過最大變形角。
(2)進(jìn)行了關(guān)節(jié)的特性分析及校核優(yōu)化設(shè)計(jì)。對初步設(shè)計(jì)的核心模塊進(jìn)行受力分析,并通過ADAMS仿真驗(yàn)證理論計(jì)算的正確性,繪制了幾種不同剛度預(yù)設(shè)值時(shí),關(guān)節(jié)的扭矩和剛度特性,為關(guān)節(jié)的控制提供一定的參考。對關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)ANSYS強(qiáng)度校核,優(yōu)化了關(guān)節(jié)的部分結(jié)構(gòu),不管是緩慢運(yùn)動(dòng)還
3、是承受較大的沖擊,關(guān)節(jié)都能正常運(yùn)行,不會(huì)輕易地遭到破壞。
(3)建立了關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)和控制模型。由于變剛度關(guān)節(jié)和串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器(SEA)具有一定的相似性,因此,首先歸納總結(jié)了串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的常用動(dòng)力學(xué)模型和常用控制方法;其次,針對目前SEA動(dòng)力學(xué)模型過于簡化,逐步深入探討了建模時(shí)需考慮的因素,在此基礎(chǔ)上建立了完善的動(dòng)力學(xué)模型并通過Simulink進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能仿真,結(jié)果表明關(guān)節(jié)具有較大的響應(yīng)帶寬;最后,基于力源控制思想采用PID
4、控制方法建立了關(guān)節(jié)的控制模型,并推導(dǎo)了系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù),通過Simulink分析了系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)特性,結(jié)果表明PID控制確實(shí)能大幅提高關(guān)節(jié)的力輸出性能,不管是跟隨期望階躍信號(hào)還是正弦信號(hào),關(guān)節(jié)的力輸出都具有很好地跟隨特性,表現(xiàn)出較好的魯棒性。
(4)在不改變?nèi)魏魏诵哪K結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,搭建了簡易的關(guān)節(jié)樣機(jī),采集了關(guān)節(jié)的部分?jǐn)?shù)據(jù),并分析了誤差的主要來源。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)具有一定的變剛度特性,但關(guān)節(jié)的實(shí)際性能并不是很好
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