服務(wù)機器人,特別是護理機器人以老人或病人為直接服務(wù)對象,所以其在物理人機交互中的安全性和柔順性就變得尤為重要。變剛度關(guān)節(jié)不僅像傳統(tǒng)串聯(lián)彈性驅(qū)動器一樣具有彈性和緩沖作用,而且能夠主動改變機器人關(guān)節(jié)的剛度大小,進一步提高機器人的柔順性和安全性,因此成為了護理機器人領(lǐng)域的研究熱點。傳統(tǒng)變剛度關(guān)節(jié)往往采用冗余驅(qū)動的方案分別控制關(guān)節(jié)角度和剛度,這不但增加了關(guān)節(jié)的機構(gòu)復雜度,使得關(guān)節(jié)難以小型化和模塊化,而且造成了剛度調(diào)節(jié)電機的功率浪費,這使得變剛度關(guān)節(jié)很難被用于多自由度的機器人系統(tǒng)當中。因此變剛度關(guān)節(jié)的模塊化設(shè)計和控制方法研究變得十分具有挑戰(zhàn)性。針對上述變剛度關(guān)節(jié)存在的問題,本課題提出了一種新型模塊化變剛度關(guān)節(jié)的設(shè)計及其主動變剛度控制方法,并制作了關(guān)節(jié)樣機,進行了相關(guān)實驗研究。針對護理機器人手臂關(guān)節(jié)的設(shè)計要求和傳統(tǒng)變剛度關(guān)節(jié)的功率浪費問題,論文提出了一種利用差速機構(gòu)的關(guān)節(jié)設(shè)計方案,其基于雙向拮抗式變剛度原理,能夠同時進行關(guān)節(jié)動力的輸出和關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)。本文對變剛度關(guān)節(jié)進行了詳細設(shè)計和原理分析,并根據(jù)設(shè)計和分析結(jié)果制造了關(guān)節(jié)樣機,實現(xiàn)了關(guān)節(jié)的模塊化和集成化。根據(jù)關(guān)節(jié)的特殊傳動結(jié)構(gòu)進行了準確地動力學建... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：79 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

應(yīng)用于康復外

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文-12-使得關(guān)節(jié)可以達到完全柔性（零剛度），又通過引入關(guān)節(jié)限位器使得關(guān)節(jié)可以變成完全剛性，由此完成了關(guān)節(jié)從完全柔性到完全剛性的調(diào)節(jié)。軸向力軸向彈簧a)直線變剛度關(guān)節(jié)原理圖[31]b)改進后關(guān)節(jié)三維圖[32]圖1-15LVSM示意圖[31]哈爾濱工業(yè)大學尹鵬等設(shè)計了一種針對足部彈跳機器人的變剛度機構(gòu)[33]，如圖1-16所示。其利用變力臂式的變剛度原理，通過調(diào)節(jié)輸出端力臂的大小控制關(guān)節(jié)的剛度。兩個驅(qū)動盤上一個開直線槽，另一個開有曲線槽，兩個驅(qū)動盤的相對錯動會造成支點沿關(guān)節(jié)徑向移動，改變彈簧力臂的大小進而改變關(guān)節(jié)的剛度。通過曲線設(shè)計，他們避免了錯動凸輪機構(gòu)自鎖的問題，成功實現(xiàn)了差速剛度調(diào)節(jié)。a)錯動凸輪機構(gòu)b)關(guān)節(jié)剖面圖圖1-16哈工大足部彈跳機器人中的變剛度機構(gòu)[33]1.3國內(nèi)外文獻綜述的簡析國外在變剛度關(guān)節(jié)方面的研究比較早，在2010年前后涌現(xiàn)了大量的新穎的機構(gòu)設(shè)計，為了提高多自由度機器人系統(tǒng)的相應(yīng)能力和柔順性，變剛度關(guān)節(jié)常常被應(yīng)用到輕型臂中，進而開發(fā)出性能優(yōu)異的輕型柔順臂，其中較為成熟的解決方案是德國宇航中心（DLR）的幾款柔順機械臂。

設(shè)計實現(xiàn)機器人本身產(chǎn)生對外力的自發(fā)反應(yīng)。 而造成變剛度關(guān)節(jié)難以小型化的原因在于其復雜的機械機構(gòu)和主副電機的配置形式，其中主電機用來控制關(guān)節(jié)的輸出轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)角，而副電機單獨用來調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)的剛度。兩個電機獨立工作，則在大部分無需變剛度的場合，副電機常常處于停滯狀態(tài)，造成了電機功率的浪費，進而限制了關(guān)節(jié)的扭矩輸出能力。 即使是拮抗式布置的變剛度關(guān)節(jié)，如人類的肌肉肌腱系統(tǒng)或繩驅(qū)系統(tǒng)，由于肌肉和繩索只能產(chǎn)生拉力，故當關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩時，只有一個電機主動輸出，而另一個電機只能隨動而無法輸出轉(zhuǎn)矩，同樣造成了電機功率的浪費，限制了關(guān)節(jié)的高扭矩輸出能力。只有在變剛度時，兩電機才能相互拮抗，共同輸出轉(zhuǎn)矩。拮抗式關(guān)節(jié)原理如圖 2-3 所示。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于ROS和CANopen協(xié)議的控制器實時通信系統(tǒng)構(gòu)建[J]. 賈鵬飛,王容川,徐林森,陳丹惠,李開霞.  中國科學技術(shù)大學學報. 2018(09)
[2]面向足式機器人的新型可調(diào)剛度柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計及性能測試[J]. 尹鵬,李滿天,郭偉,王鵬飛,孫立寧.  機器人. 2014(03)
[3]機器人柔順控制研究[J]. 殷躍紅,尉忠信,朱劍英.  機器人. 1998(03)

碩士論文
[1]一種新型的可變剛度柔性關(guān)節(jié)設(shè)計與控制研究[D]. 蔡若凡.哈爾濱工業(yè)大學 2017
[2]柔性機械臂變剛度關(guān)節(jié)的設(shè)計及實驗研究[D]. 易科勝.哈爾濱工業(yè)大學 2016



本文編號：3601006