發(fā)布時間：2020-08-21 22:16

【摘要】：傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人安全性較差,需要護(hù)欄等諸多限制條件,且傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的決策與智能控制遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)定的效果。協(xié)作機(jī)器人的出現(xiàn),將在很大程度上加快機(jī)器人的普及,同時為我們提供了一個讓機(jī)器人走入普通人生活的可能性,實(shí)現(xiàn)真正的人機(jī)協(xié)作。本文以協(xié)作機(jī)器人為研究對象,探索新型驅(qū)動原理,將無框直驅(qū)電機(jī)和具有一定柔性的諧波減速機(jī)進(jìn)行高密度集成,研制出高功率密度比機(jī)電一體化關(guān)節(jié),并進(jìn)行關(guān)節(jié)系列化和模塊化設(shè)計(jì)�；谶\(yùn)動學(xué)與動力學(xué)理論,攻克協(xié)作機(jī)器人研究中零力矩控制與碰撞檢測技術(shù)難點(diǎn),實(shí)現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人拖動示教和碰撞檢測功能。根據(jù)零力矩控制算法建立具有包含靜摩擦、庫倫摩擦與黏滯摩擦力在內(nèi)的非線性動力學(xué)模型,提高機(jī)器人零力控制算法的精度,滿足外力引導(dǎo)下的拖動示教功能。針對碰撞檢測提出了兩種無力矩傳感器下的碰撞檢測方法。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)有以下幾個方面:1、高功率密度比模塊化關(guān)節(jié)及機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì):探索協(xié)作機(jī)器人的新構(gòu)型設(shè)計(jì)方法,對機(jī)器人整體構(gòu)型及六自由度配置進(jìn)行優(yōu)化。采用基于數(shù)值優(yōu)化和有限元模擬相結(jié)合的多目標(biāo)輕量化設(shè)計(jì)方法,對本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)高強(qiáng)度輕薄外殼。根據(jù)機(jī)器人最大負(fù)載及轉(zhuǎn)速要求,對本機(jī)器人兩種模塊化關(guān)節(jié)的電機(jī)及諧波減速機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)。研究新型驅(qū)動原理,將無框直驅(qū)電機(jī)與具有一定柔性的諧波減速機(jī)進(jìn)行高密度集成,研制出高功率密度比機(jī)電一體化關(guān)節(jié),并進(jìn)行系列化和模塊化。設(shè)計(jì)的新型柔性制動機(jī)構(gòu),在簡化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的同時更有利于散熱,為協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路。2、新構(gòu)型協(xié)作機(jī)器人正逆運(yùn)動學(xué)解析法:機(jī)器人的正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué)的求解是聯(lián)系機(jī)械系統(tǒng)與運(yùn)動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵過程。為得到六自由度輕型協(xié)作機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)閉合解,利用解析法求解機(jī)器人的全部8組逆解。該方法能夠有效確保證機(jī)器人運(yùn)動學(xué)求解過程的實(shí)時性和準(zhǔn)確性。最后,通過Matlab仿真驗(yàn)證該解析法的準(zhǔn)確性與有效性。同時,根據(jù)該協(xié)作機(jī)器人的正解,采用隨機(jī)概率-蒙特卡洛法得到機(jī)器人的可達(dá)操作空間。根據(jù)所設(shè)計(jì)的輕型協(xié)作機(jī)器人的構(gòu)型及機(jī)器人逆解,分析該機(jī)器人的奇異位形,為運(yùn)動控制過程中避奇異位置提供有力的理論支撐。3、基于力矩補(bǔ)償?shù)牧懔刂萍夹g(shù):通過克服機(jī)器人自身重力和摩擦力,使機(jī)器人在外力牽引下只需克服較小的慣性力即可順應(yīng)外力移動。采用基于最小二乘法的機(jī)器人參數(shù)辨識方法,通過低速動態(tài)平衡原理,對機(jī)器人轉(zhuǎn)矩靈敏度及摩擦力參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確辨識。通過分別控制相同位置下不同速度及相同速度下不同位置的方式實(shí)現(xiàn)黏滯摩擦與庫倫摩擦力的辨識。在補(bǔ)償重力矩與靜摩擦力的基礎(chǔ)上增加黏滯摩擦與庫倫摩擦力的補(bǔ)償值,從而實(shí)現(xiàn)更加精確的力矩補(bǔ)償控制,使得機(jī)器人零力拖動示教更加精確,拖動過程更加順暢。4、無力傳感器下的碰撞檢測算法:針對無力傳感器下的碰撞檢測,提出一種基于廣義動量觀測器的碰撞檢測技術(shù)。在動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,引入廣義動量觀測器,無需計(jì)算及檢測加速度值,從而避免加速度信息不穩(wěn)定性對碰撞檢測的影響。同時在動力學(xué)模型中引入經(jīng)典摩擦力模型,提高整個動態(tài)模型的精度。根據(jù)碰撞要求設(shè)定合適的閾值rth,當(dāng)殘差值超過閾值時則說明機(jī)器人與外界發(fā)生了碰撞。該碰撞檢測算法只需測量機(jī)器人關(guān)節(jié)編碼器的位置信息,可以在沒有任何力傳感器或加速度傳感器的情況下進(jìn)行實(shí)時檢測。5、雙編碼器碰撞檢測方法:基于機(jī)器人特殊的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì),提出一種基于雙編碼器的碰撞檢測新方法。利用諧波減速機(jī)的等效柔性特征,通過雙編碼器的位置誤差檢測實(shí)現(xiàn)低成本檢測外力碰撞,使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時的碰撞檢測功能。同時提出三種碰撞后反應(yīng)策略,振蕩模式、零力矩響應(yīng)模式及被迫停止模式。根據(jù)實(shí)際需要,選擇不同的反應(yīng)策略以實(shí)現(xiàn)不同的碰撞檢測效果。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP242
【圖文】：

各個關(guān)節(jié)均配置了扭矩傳感器，使得關(guān)節(jié)柔性增大，同時使得機(jī)器人整體成本大逡逑幅增加，導(dǎo)致該機(jī)器人無法在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到廣泛推廣。逡逑Ｇｏｍｔｅｃ在２０１４年推出了協(xié)作機(jī)器人ｒｏｂｅｒｔａ，如圖１．３所示。Ｒｏｂｅｒｔａ機(jī)器人采逡逑３逡逑

的安全性的目的，但是相應(yīng)的成本也大幅提高。逡逑Ｓａｍｉ邋Ｈａｄｄａｄｉｎ于２０１６年在德國慕尼黑創(chuàng)建了ＦｒａｎｋａＥｍｉｋａ公司［１６］。Ｓａｍｉ在逡逑ｉｉｗａ的研宄基礎(chǔ)上推出了更具競爭優(yōu)勢的Ｆｒａｎｋａ機(jī)器人，如圖１．４所示。該機(jī)器人逡逑具有７個自由度，機(jī)器人自重１８．５Ｋｇ，有效負(fù)載３Ｋｇ，工作半徑８５５ｍｍ，重復(fù)精逡逑度±０．１邋ｍｍ。７個關(guān)節(jié)均裝有力矩傳感器，能夠感知外部碰撞力，具有碰撞響應(yīng)逡逑靈敏，碰撞保護(hù)后通過輕觸能夠重新進(jìn)入預(yù)定軌跡的優(yōu)點(diǎn)。低價(jià)、智能、編程簡逡逑單也使得該機(jī)器人成為了協(xié)作機(jī)器人焦點(diǎn)。但是該機(jī)器人同樣采用力矩傳感器檢逡逑測外力，使得機(jī)器人硬件成本較高，同時機(jī)器人負(fù)載能力本體結(jié)構(gòu)剛性較弱。逡逑＼邋ｍｗ逡逑圖１．邋３邋Ｇｏｍｔｅｃ的單臂機(jī)器人ｒｏｂｅｒｔａ［１５］邋圖丨？邋４邋Ｆｒａｎｋａ邋Ｅｍｉｋａ公司的Ｆｒａｎｋａ機(jī)器人［１６］逡逑２０１５年ＫＮＯＶＩＡ公司針對殘疾人輔助行業(yè)，推出了一款６自由度協(xié)作機(jī)器人逡逑ＪＡＣＯ［１７］。機(jī)械臂連桿由碳纖維材料制成，自重５．３Ｋｇ，有效負(fù)載１．３Ｋｇ，工作逡逑半徑９００ｍｍ，其在末端配有３指手爪，便于抓取物體。機(jī)械臂的模塊化配置及驅(qū)逡逑動器的低后坐力使其能夠很好地幫助病人完成一些特定動作

逡逑圖１．５協(xié)作機(jī)器人ＪＡＣＯ逡逑１．３．２國內(nèi)協(xié)作機(jī)器人逡逑國內(nèi)協(xié)作機(jī)器人的研宄隨著巨大需求的提出，許多研發(fā)機(jī)構(gòu)、高校及機(jī)器人逡逑公司相繼進(jìn)入?yún)f(xié)作機(jī)器人開發(fā)的領(lǐng)域，推出了多款比較有特色的協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)品逡逑或樣機(jī)。逡逑大族電機(jī)推出的６自由度協(xié)作機(jī)器人Ｅｌｆｉｎ［１９］，如圖１．邋６所示。Ｅｌｆｉｎ５系列機(jī)逡逑器人自重２３Ｋｇ，有效負(fù)載５Ｋｇ，工作半徑８００ｍｍ，重復(fù)精度能夠達(dá)到±０．０３ｍｍ。邐／逡逑機(jī)器人關(guān)節(jié)的中空無框力矩電機(jī)由大族自主研發(fā)，能夠滿足機(jī)器人關(guān)節(jié)的中空走逡逑線模塊化設(shè)計(jì)，具有大扭矩，高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，但是相對于該有效負(fù)載，機(jī)器人逡逑自重稍大。逡逑＾邐Ａ逡逑廣一？邐７逡逑＆：＇ｎ逡逑圖１．６大族電機(jī)開發(fā)的Ｅｌｆｉｎ［１９］邐圖１．邋７新松７自由度協(xié)作機(jī)器人［２０］逡逑新松機(jī)器人推出的冗余自由度（７自由度）協(xié)作機(jī)器人ＳＣＲ５，機(jī)器人本體自逡逑重３３．８Ｋｇ

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2799918