基於旋量理論的變剛度柔順機械臂建模方法研究

《基於旋量理論的變剛度柔順機械臂建模方法研究》是依託山東大學，由周樂來擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於旋量理論的變剛度柔順機械臂建模方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：周樂來
• 依託單位：山東大學

中文摘要

具有內在柔性的機器臂與人類進行協同作業時能夠保障人、機、物的安全，是未來機械臂的發展方向，而變剛度驅動器則是研發柔順機械臂的關鍵。本項目針對變剛度驅動器與柔順機械臂的建模方法和變剛度特性等內容，展開深入的研究。探索採用旋量理論進行變剛度機構建模的方法，明確變剛度機構的實現方式，揭示變剛度解耦機構的工作原理。利用旋量理論建立柔順機械臂模型，探索機器人系統級最佳化設計方法在柔順機械臂設計中的適用性。深入研究柔性關節剛度的表征方式，建立關節與機器人末端剛度映射定量關係，闡明柔順機械臂安全性與末端柔性的評價標準。通過搭建聯合仿真平台和柔順機械臂樣機實驗平台，驗證模型的有效性和實用性。本項目對建模方法的研究為闡明柔性關節剛度特性和機械臂末端柔性性能奠定了理論基礎。

結題摘要

本項目研究的柔順機械臂是一種採用柔性關節驅動，並具有剛性連桿聯接的機器人手臂。相對於傳統的剛性機械臂，柔順機械臂在與人員或障礙物發生碰撞時能夠迅速調節自身的剛度以降低對人體或機械臂自身的損害。本項目以柔性驅動器及柔性關節為研究對象，開展了柔順機械臂的建模最佳化及柔順控制研究。本項目首先研究了可變剛度的串聯彈性驅動器，基於模組化理論，針對本體機械結構、傳動機構、電機選型、彈性器件、控制系統等進行系統一體化最佳化設計。對驅動器的剛度等性能進行了動力學分析，設計製作了變剛度驅動器樣機，並進行實驗測試。開展各種負載條件和運動情況下實驗研究，研究了驅動器的動態回響性能和穩定性。研究驅動器柔順性對其運動學性能的依賴關係，並實驗其控制參數。項目搭建了聯合仿真平台，並在該平台中對柔順機械臂進行了控制參數最佳化。將驅動器的扭矩、彈性器件的彈性常數、尺寸參數等作為設計變數，以其運動學性能和動力學性能作為約束條件，將柔順機械臂的能耗最優作為設計目標，最佳化了機械臂的構型參數，獲得了最優配置。項目分析了研究柔順機械臂運動軌跡規劃方法。根據柔順機械臂旋量理論動力學模型，研究其柔順控制算法。研究了各關節剛度變化對機械臂末端軌跡的影響，建立末端位置隨關節剛度變化的補償機制，保證機械臂末端定位精度。在本項目的資助下，項目負責人從副研究員轉聘為副教授，協助培養博士研究生1名，碩士研究生5名。發表SCI/EI檢索論文18篇，其中SCI檢索期刊論文10篇，EI檢索會議論文8篇。授權國家發明專利2項，申請受理髮明專利5項。