隨著機(jī)器人技術(shù)向生產(chǎn)生活各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的快速、深度延伸,傳統(tǒng)的剛性、獨(dú)立運(yùn)行工業(yè)機(jī)器人難以勝任,協(xié)作型機(jī)器人的研究與開發(fā)應(yīng)運(yùn)而生。特別是在裝配、打磨拋光、易損或柔性對(duì)象抓持與操作等力位混合控制或力/力矩保持作業(yè)任務(wù)中,需要對(duì)力和位置進(jìn)行協(xié)同控制。而當(dāng)前協(xié)作型機(jī)器人的研究大多基于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械臂配合多種高精度傳感器及先進(jìn)的柔順控制算法來實(shí)現(xiàn),對(duì)系統(tǒng)建模精度和控制算法的準(zhǔn)確性和適用性提出了極高的挑戰(zhàn),雖然眾多研究人員和企業(yè)科技人員投入研發(fā),也尚未滿足協(xié)作型機(jī)器人使用過程中的順應(yīng)性和安全性需求。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人協(xié)作過程的順應(yīng)性和安全性,研發(fā)具有內(nèi)在柔順性,即具有剛度主動(dòng)可調(diào)特性的柔性機(jī)器人是一種更為直接思路,能夠從根本上解決機(jī)器人的安全性問題。針對(duì)此目標(biāo),本文提出研究一種新型的機(jī)器人磁流變液柔順關(guān)節(jié),該關(guān)節(jié)將磁流變液作為傳動(dòng)部件的一個(gè)重要組成部分,利用其區(qū)間連續(xù)可控傳動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的位置和力矩的混合控制,使得機(jī)器人關(guān)節(jié)具有內(nèi)在的安全性和柔順性。將磁流變液應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)的基本問題之一是建立其剪切傳動(dòng)的流變模型。論文詳細(xì)介紹并分析了Bingham Plastic模型、Herschel-Bulkley模型、Casson模型及這些模型的組合模型,針對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)的柔順性需求,結(jié)合磁流變液剪切的預(yù)運(yùn)動(dòng)/微動(dòng)特性、剪切致稀特性和恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)特性,提出了磁流變液的分段式全域剪切應(yīng)力模型,該數(shù)學(xué)模型是磁流變液柔順關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力特性分析以及控制研究的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)了基于磁流變液的柔順關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),詳細(xì)分析了其核心柔順機(jī)構(gòu)磁流變液柔順耦合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁路設(shè)計(jì),以及電磁學(xué)特征、溫漂特性,建立了電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的解析模型,即I-B模型。提出了耦合剛度概念,并基于I-B模型建立了耦合剛度模型�；隈詈蟿偠雀拍疃x了磁流變液柔順關(guān)節(jié)的傳動(dòng)剛度,為機(jī)器人柔順關(guān)節(jié)及基于此關(guān)節(jié)的柔性機(jī)械臂的變剛度控制及剛度約束提供了結(jié)構(gòu)和模型基礎(chǔ)。基于I-B模型分析了磁流變液柔順關(guān)節(jié)耦合器的力矩耦合關(guān)系和位置耦合關(guān)系,建立了其力矩耦合模型和位置耦合模型。對(duì)機(jī)器人柔順作業(yè)過程進(jìn)行了分析,將其分為自由空間和約束空間兩種不同階段,進(jìn)一步明確上述兩個(gè)階段內(nèi)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制的約束條件與需求。提出當(dāng)磁流變液柔順關(guān)節(jié)工作在自由空間時(shí),其內(nèi)部磁流變液處于同步傳動(dòng)階段;當(dāng)磁流變液柔順關(guān)節(jié)工作在約束空間時(shí),其內(nèi)部磁流變液處于屈服階段,通過主動(dòng)調(diào)節(jié)耦合剛度進(jìn)行傳動(dòng)剛度調(diào)控。針對(duì)磁流變液柔順關(guān)節(jié)的分段運(yùn)動(dòng)特性與控制要求,提出了一種主動(dòng)柔順雙環(huán)控制策略,包括位置控制環(huán)和力矩控制環(huán)。位置控制環(huán)進(jìn)行目標(biāo)位置的跟蹤控制,力矩控制環(huán)進(jìn)行基于耦合剛度約束的輸出力矩控制,位置控制環(huán)和力矩控制環(huán)之間則利用阻抗模型將位置變化變換為力矩約束修正量。采用模糊自適應(yīng)整定PID控制算法進(jìn)行耦合位置控制,提出了基于有約束模型預(yù)測(cè)控制的磁流變液關(guān)節(jié)耦合力矩控制算法。對(duì)全域剪切應(yīng)力模型、力矩耦合模型及基于MPC控制算法耦合力矩控制分別進(jìn)行了仿真分析。搭建了基于磁流變液柔順關(guān)節(jié)耦合器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng),分別進(jìn)行了磁流變液柔順關(guān)節(jié)耦合器耦合性能實(shí)驗(yàn)和耦合力矩閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)。本文針對(duì)機(jī)器人應(yīng)用中對(duì)柔順性和安全性的迫切需求,從機(jī)器人本體安全性角度出發(fā),充分發(fā)掘磁流變液材料的流變特性和多模式傳統(tǒng)特性,提出研究了基于磁流變液的機(jī)器人柔順關(guān)節(jié),建立了該關(guān)節(jié)的基本模型,提出了有效的可變剛度和力矩輸出控制策略與算法。本文的研究工作為新型主動(dòng)可變剛度柔性機(jī)械臂研究提供了一個(gè)新的思路和實(shí)現(xiàn)方法。
【學(xué)位單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論磁流變液提出了一種新型的機(jī)器人柔順關(guān)節(jié)，金青年項(xiàng)目 磁流變液柔順關(guān)節(jié)固液界面預(yù)運(yùn)編號(hào)：51605434，起止日期：2017 年 1 月-2019金項(xiàng)目 面向低壓電器制造業(yè)的機(jī)器人柔性裝212，起止日期：2016 年 1 月-2019 年 12 月）的意義發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用范圍已慢慢擴(kuò)展到了生產(chǎn)，機(jī)械臂的應(yīng)用已經(jīng)隨處可見，在一些無人車象，取而代之的是一臺(tái)臺(tái)關(guān)在 籠子 里或者無

.2 研究的背景和意義隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用范圍已慢慢擴(kuò)展到了生產(chǎn)、生活的很多方面。其是在工業(yè)生產(chǎn)方面，機(jī)械臂的應(yīng)用已經(jīng)隨處可見，在一些無人車間里，已經(jīng)完全沒了昔日人頭攢動(dòng)的景象，取而代之的是一臺(tái)臺(tái)關(guān)在 籠子 里或者無人車間里忙碌的機(jī)臂，如圖 1-1 所示。圖 1-1 機(jī)械臂忙碌工作的無人車間不過，仍有許多工業(yè)領(lǐng)域在 機(jī)器換人 方面進(jìn)展緩慢，比如低壓電器制造業(yè)，尤其在低壓電器產(chǎn)品的裝配環(huán)節(jié)，操作對(duì)象的種類繁多、尺寸小、形狀多樣化、操作環(huán)境結(jié)構(gòu)化，給 機(jī)器人換人 帶來了諸多挑戰(zhàn)，如圖 1-2 所示。

圖 1- 3 機(jī)器人與人協(xié)同工作[4-5]人機(jī)協(xié)作共同完成裝配作業(yè)任務(wù)時(shí)，一方面要充分保證協(xié)作對(duì)象的安全，人要頻繁接觸甚至肢體交叉互動(dòng)，保障人體自身安全是協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用的前提要保證與之協(xié)作的人身有絕對(duì)的安全保障，另一方面要充分保證操作對(duì)象的裝配過程中完成推、壓等接觸力跟蹤作業(yè)任務(wù)時(shí)，要能夠?qū)⒔佑|力約束在合，充分保證接觸力跟蹤的可靠性，防止因接觸力過大而造成操作對(duì)象損壞。不僅如此，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，蔬果、蛋品等的采摘、分揀、包裝工作仍然依靠大動(dòng)來完成，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，協(xié)作機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用必將大放務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，尤其是理療按摩、助老助殘、家庭生活輔助等方面，協(xié)作機(jī)空間也十分廣闊。這些應(yīng)用場(chǎng)景同樣需要機(jī)器人具備充足的協(xié)作對(duì)象安全性安全性。根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，僅 2015 年即有 370 萬臺(tái)個(gè)務(wù)機(jī)器人銷售，而 2016 年-2019 年這一數(shù)字將總計(jì)達(dá)到 3080 萬臺(tái)[6]。由此機(jī)器人擁有非常廣闊的市場(chǎng)前景和巨大的剛性需求，為市場(chǎng)提供具有本質(zhì)安人產(chǎn)品成為廣大科研工作者孜孜以求的目標(biāo)。傳統(tǒng)關(guān)節(jié)型機(jī)器人依靠高剛度的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高位置精度的控制器設(shè)計(jì)，
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