輕型機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、目前，柔性關(guān)節(jié)由于具有高的負(fù)載/自重比、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于空間、戰(zhàn)場(chǎng)以及家庭等工作位置隨任務(wù)而變以及有輻射等危險(xiǎn)工作場(chǎng)合。而SEA作為低輸出阻抗的力輸出驅(qū)動(dòng)裝置，可以大幅增加關(guān)節(jié)的柔性，并且可以更好地承受沖擊力。本文從柔性關(guān)節(jié)更廣泛的應(yīng)用前景出發(fā)，研制了基于SEA的柔性關(guān)節(jié)，展開(kāi)以下幾方面工作。
　　本文研制了柔性關(guān)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)。介紹了傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并詳細(xì)講述了SEA的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)Workben

2、ch DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，分別對(duì)SEA常用的幾種形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定其三維模型。同時(shí)對(duì)SEA進(jìn)行剛度分析，通過(guò)其柔性轉(zhuǎn)角-負(fù)載轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩-剛度的關(guān)系，分別得出SEA定剛度模型與變剛度模型。設(shè)計(jì)傳感器系統(tǒng)，選擇關(guān)節(jié)位置傳感器，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)力矩傳感器并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析、剛度分析。
　　分別通過(guò)SEA定剛度模型與變剛度模型建立相應(yīng)的柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型。首先通過(guò)對(duì)柔性關(guān)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，采用Spong學(xué)者的假設(shè)，將SEA簡(jiǎn)化為定剛度

3、的無(wú)阻尼線性扭簧建立定剛度關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型。然后基于SEA變剛度模型，將SEA簡(jiǎn)化為剛度可變的無(wú)阻尼扭簧，建立變剛度柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型。為了簡(jiǎn)化控制模型，采用SEA定剛度模型，為克服柔性關(guān)節(jié)非線性因素的影響，提出柔性關(guān)節(jié)的內(nèi)位置環(huán)的力反饋閉環(huán)控制，并分別建立控制模型中位置環(huán)與力環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)與閉環(huán)傳遞函數(shù)。
　　進(jìn)行柔性關(guān)節(jié)性能實(shí)驗(yàn)，主要進(jìn)行柔性關(guān)節(jié)剛度分析實(shí)驗(yàn)、力矩傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和關(guān)節(jié)負(fù)載跟隨實(shí)驗(yàn)。建立柔性關(guān)節(jié)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)柔