基于剛度矩陣的串聯機器人雙關節(jié)被動重力平衡研究.pdf

1、在機器人本體中添加重力平衡機構能夠有效地減少關節(jié)電機的負載，提升機器人系統性能。本文以串聯機器人為研究對象，依據被動重力平衡原理提出串聯機器人純彈簧機構重力平衡方法，采用理論推導與實驗驗證的方法分別對機器人重力平衡設計方法、重力平衡系統性能以及重力平衡控制方案進行探討。
　　首先，利用能量法對單自由度桿件重力平衡進行分析，結果表明零初長型彈簧能夠實現桿件完全重力平衡。通過拉格朗日方程分析傳統重力平衡串聯機器人和未平衡串聯機器人動力

2、學方程差異，可知添加彈簧能夠改善機器人動力學性能。改變彈簧剛度、安裝位置及角度中的任意參數均能調整機器人重力平衡效果。利用能量守恒原理推導出剛度矩陣形式的彈性勢能和重力勢能，并分析彈性剛度矩陣分量矩陣中元素符號和數值分布特性，以此為基礎總結出實現機器人重力平衡彈簧安裝的四個必要條件。
　　然后，對影響機器人重力平衡的因素進行理論分析，結果表明彈簧安裝方式對重力平衡效果影響顯著。根據重力平衡控制系統特點，采用PID控制方案建立了直流

3、伺服電機的控制系統數學模型，并利用該模型在MATLAB/Simulink中進行了仿真，仿真結果表明重力平衡明顯提升了控制系統動態(tài)性能。設計了等比例縮小雙關節(jié)機器人虛擬樣機，并在ADAMS中對機器人在不同末端負載情況下進行了多組動力學仿真，仿真結果與本文基于剛度矩陣所建立的重力平衡理論結果吻合。
　　最后，以雙關節(jié)機器人虛擬樣機為基礎搭建了雙關節(jié)機器人重力平衡實驗平臺，用LABVIEW設計了實驗平臺上位機，并對雙關節(jié)伺服電機進行了調