变刚度柔顺机器人关节设计及人机关节刚度匹配方法研究

发布时间：2023-04-04 21:33

　　随着技术的发展,机器人越来越多的应用在生活服务、医疗辅助以及外骨骼等人机交互需求高的领域。传统的刚性机器人无法保证物理性交互安全,如何提高人机柔顺交互成为亟需解决的问题。人体关节系统采用肌肉作为柔顺驱动源并具有自适应刚度调节功能,具有高柔顺交互能力。本文基于人体仿生学原理开展机器人柔顺技术研究,设计了一种变刚度柔顺机器人关节,利用表面肌电信号作为人体刚度信息的载体,提出物理性人机柔顺交互控制策略,从机械本体和控制上提高人机交互时的柔顺性。本课题主要研究内容如下:基于人体肘关节的仿生学原理,设计了一种变刚度柔顺机器人关节SoftJoint I,以周向布置的线性弹簧构成旋转SEA柔顺驱动模块,与电机串联实现关节的柔顺驱动;通过前后对称布置的可调弹性带模拟关节肌肉的拮抗作用,调节弹性带长度实现关节刚度的调节;完成了 SoftJoint I样机的工程设计及加工装配。基于静力学分析,推导出关节传动刚度与刚度调节电机主动调节量、关节角位移以及形变角之间的映射关系,建立了柔顺关节的刚度数学模型。设计关节特性测试实验,验证关节的变刚度特性以及关节刚度理论模型的正确性,实验结果表明样机具有较好的刚度响应...

【文章页数】：107 页

【学位级别】：硕士

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致谢
摘要
ABSTRACT
1 引言
    1.1 课题研究背景
    1.2 课题研究意义
    1.3 协作机器人市场现状及机器人柔顺技术研究现状
        1.3.1 协作机器人市场应用现状
        1.3.2 机器人柔顺技术的研究现状
    1.4 生物信号在机器人领域的应用
    1.5 主要内容及章节安排
2 变刚度柔顺机器人关节设计
    2.1 人体肘关节运动特性及尺寸分析
    2.2 变刚度柔顺机器人关节结构设计
        2.2.1 变刚度柔顺关节整体设计
        2.2.2 柔顺驱动结构设计
        2.2.3 刚度调节模块设计
    2.3 变刚度柔顺关节刚度模型
    2.4 变刚度柔顺关节中弹性元件的选择
    2.5 变刚度柔顺机器人关节刚度特性测试
        2.5.1 静态刚度辨识实验
        2.5.2 关节刚度阶跃实验
        2.5.3 余弦位置跟随实验
    2.6 本章小结
3 基于表面肌电信号的人体关节刚度建模
    3.1 人体关节刚度的特性与测量方法
    3.2 人体表面肌电信号的采集与处理
        3.2.1 人体表面肌电信号的特点
        3.2.2 表面肌电信号的采集与处理
    3.3 基于表面肌电信号的人体上肢刚度模型
    3.4 本章小结
4 人机交互实验平台
    4.1 实验平台方案设计
    4.2 控制系统硬件选择
        4.2.1 主控制器
        4.2.2 Arduino控制板
        4.2.3 驱动模块
        4.2.4 传感器
        4.2.5 通信模块
        4.2.6 动力源
    4.3 实验平台控制系统搭建
    4.4 控制系统软件设计
    4.5 本章小结
5 人机关节刚度匹配算法研究与实验
    5.1 基于人机关节刚度匹配的柔顺控制策略研究
    5.2 人机关节刚度匹配实验
        5.2.1 实验设计
        5.2.2 静态人机协作抬箱子实验
        5.2.3 动态人机协作抬箱子实验
    5.3 本章小结
6 总结与展望
参考文献
作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集



本文编号：3782085