變剛度是近年來(lái)機(jī)器人柔順控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。將變剛度柔順裝置安裝于機(jī)器人的操作末端并與環(huán)境發(fā)生直接的物理交互,不僅能提高機(jī)器人-環(huán)境交互的安全性,還能使機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制與力控制解耦,提高自動(dòng)化作業(yè)的加工質(zhì)量。然而,目前的變剛度設(shè)計(jì)主要基于機(jī)械或氣動(dòng)的原理。前者利用機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)彈性元件進(jìn)行調(diào)節(jié)獲得變化的剛度,后者則通過(guò)控制氣壓獲得可變的柔順效果;兩者都存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、力學(xué)特性非線性以及剛度變化響應(yīng)遲滯等問(wèn)題。因此,目前變剛度柔順裝置執(zhí)行機(jī)器人-環(huán)境交互柔順控制的精度和穩(wěn)定性均不甚理想。針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出了基于線圈-永磁鐵非接觸式的電磁交互效應(yīng)的變剛度柔順原理和方法,開(kāi)發(fā)了電磁柔順裝置的物理樣機(jī)及其力反饋控制系統(tǒng);相比目前主要的變剛度設(shè)計(jì),顯著提高了柔順控制的響應(yīng)速度、精度和穩(wěn)定性。為了增強(qiáng)機(jī)器人系統(tǒng)在未知環(huán)境下的力順應(yīng)能力,論文還研究了空間多自由度變剛度柔順特性的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)開(kāi)展電磁柔順輔助下的機(jī)器人-環(huán)境交互力順應(yīng)控制實(shí)驗(yàn),充分驗(yàn)證了電磁柔順在保障交互安全、提高機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)加工質(zhì)量方面所具有的應(yīng)用潛力。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:基于電磁交互效應(yīng)的變剛度柔順?lè)椒?通過(guò)對(duì)不同磁... 

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

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電磁壓縮彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文402.4.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析為了對(duì)線圈-永磁鐵共軸組合的電磁變剛度方案進(jìn)行論證，2.2.2節(jié)中我們搭建了一臺(tái)電磁線彈簧試驗(yàn)?zāi)Ｐ�。易知在試�?yàn)?zāi)Ｐ椭校�、和三個(gè)變量分別取值：2.5、1.67和3.0。通過(guò)對(duì)力學(xué)性能的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯昝赖恼宫F(xiàn)了電磁變剛度特性，并在一定范圍內(nèi)能獲得了近似線性的力-變形關(guān)系。因此，以試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀来盆F、線圈徑厚比以及厚度比作為參照，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)優(yōu)化變量的優(yōu)化區(qū)間如下：1.5,3.51.0,3.02.2,3.8(2-26)需要指出的是，圓柱線圈的外半徑cR必然是大于永磁鐵外半徑mR的，不難得到、和之間必須滿足以下約束條件：(2-27)對(duì)于在、、優(yōu)化區(qū)間范圍內(nèi)，不滿足上述約束條件的組合，設(shè)置相應(yīng)的maxF0且1k。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大多數(shù)的、、組合，其對(duì)應(yīng)的剛度標(biāo)準(zhǔn)差k值都遠(yuǎn)小于1，為了便于對(duì)優(yōu)化結(jié)果觀察對(duì)比，對(duì)k值取對(duì)數(shù)。顯然，當(dāng)、、的值不滿足公式（2-27）的約束條件時(shí)，lg0k。最終，圖2-21和圖2-22展示了電磁柔順裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的結(jié)果。圖2-21優(yōu)化變量-電磁柔順裝置最大負(fù)載FmaxFig.2-21OptimizationobjectiveFmaxversusthevariables.

第二章基于電磁交互效應(yīng)的變剛度柔順?lè)椒?1圖2-22優(yōu)化變量-電磁柔順裝置剛度標(biāo)準(zhǔn)差σkFig.2-22Optimizationobjectiveσkversusthevariables.在圖2-21中，顏色越紅，表示在此種結(jié)構(gòu)參數(shù)下，電磁柔順裝置的承載能力越強(qiáng)。可以看到，在其他兩個(gè)變量不變的情況下，線圈徑厚比取值2.0左右，柔順裝置的負(fù)載能力達(dá)到最強(qiáng)。另外，在設(shè)定的優(yōu)化變量?jī)?yōu)化區(qū)間范圍內(nèi)，永磁鐵徑厚比取值越大，電磁柔順裝置的承載能力越強(qiáng)。需要注意的時(shí)，隨著值增大，永磁鐵的結(jié)構(gòu)逐漸扁平化，導(dǎo)致其強(qiáng)度隨之下降，在強(qiáng)負(fù)載作用下更易發(fā)生破碎。整體來(lái)說(shuō)，線圈-永磁鐵厚度比與柔順裝置的承載能力成微弱的正相關(guān)關(guān)系。另一方面，在圖2-22中，顏色越藍(lán)，表示在此種線圈及永磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)下，電磁柔順裝置的輸出剛度穩(wěn)定性越好，力-變形關(guān)系的線性化程度越高。不難看出，在優(yōu)化區(qū)間范圍內(nèi)，取值越大，取值越小，即線圈結(jié)構(gòu)越粗大而永磁鐵結(jié)構(gòu)越細(xì)長(zhǎng)時(shí)，柔順裝置的剛度標(biāo)準(zhǔn)差越校此外，在一定程度上，增大值不利于獲得線性的柔順裝置力與變形特性。結(jié)合對(duì)圖2-21以及圖2-22的分析，顯然還不足以確定一組最佳的、和參數(shù)。下一節(jié)中，我們將進(jìn)一步考慮線圈、永磁鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁柔順裝置行程、重量以及尺寸的影響，綜合的對(duì)柔順裝置線圈以及永磁鐵的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.4.4電磁柔順裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)本文在2.2.3節(jié)搭建了一個(gè)電磁線彈簧試驗(yàn)?zāi)Ｐ停诓煌木�圈輸入電流下，該試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌驅(qū)崿F(xiàn)近似恒定的輸出剛度。另一方面，電磁柔順裝置在實(shí)際工作過(guò)程中，其力控制的精度可通過(guò)反饋控制得到增強(qiáng)。因此，在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于力/位混合控制的工業(yè)機(jī)器人精密軸孔裝配[J]. 吳炳龍,曲道奎,徐方.  浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版). 2018(01)
[2]變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力學(xué)特性的分析與研究[J]. 付小月,王偉,王雷,魏洪興,贠超.  機(jī)器人. 2017(04)
[3]氣電混合式機(jī)器人力控末端執(zhí)行器研究[J]. 趙亞平,楊桂林,楊巍,陳慶盈,張杰.  組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù). 2016(12)
[4]共融機(jī)器人的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)[J]. 丁漢.  機(jī)器人產(chǎn)業(yè). 2016(06)
[5]航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工變形控制技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 李勛,于建華,趙鵬.  航空制造技術(shù). 2016(21)
[6]磁力齒輪發(fā)展綜述[J]. 付興賀,王標(biāo),林明耀.  電工技術(shù)學(xué)報(bào). 2016(18)
[7]機(jī)器人研究進(jìn)展與科學(xué)挑戰(zhàn)[J]. 劉辛軍,于靖軍,王國(guó)彪,賴一楠,何柏巖.  中國(guó)科學(xué)基金. 2016(05)
[8]與人共融——機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)[J]. 何玉慶,趙憶文,韓建達(dá),于海斌,王越超,王天然.  機(jī)器人產(chǎn)業(yè). 2015(05)
[9]工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用技術(shù)[J]. 楊桂林.  中國(guó)科學(xué)院院刊. 2015(06)
[10]Analytic calculation of magnetic force between two current-carrying coils[J]. Xiaofan GOU,Jian QIN.  Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2015(04)

博士論文
[1]基于阻抗控制的多足步行機(jī)器人腿部柔順控制研究[D]. 朱雅光.浙江大學(xué) 2014
[2]葉片型面數(shù)控砂帶磨削技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用研究[D]. 黃智.重慶大學(xué) 2010

碩士論文
[1]高性能磁力齒輪的傳動(dòng)性能分析與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 張秀文.江蘇大學(xué) 2016



本文編號(hào)：3412167