基于串联弹性驱动器的柔顺机械臂的设计与实验分析

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1、劣参未交万方数据硕士专业学位论文基于串联弹性驱动器的柔顺机械臂的设计与实验研究1■～●一J·一1)eslgnandexperimentsofacompliantroboticannbasedonserieselasticacmator作者：谷小旭导师：张秀丽北京交通大学北尿父遭大字2015年6月万方数据学位论文版权使用授权书1IIYIIIIIIl2IIllll9llllllllli6llllll7lllll3llllll5lllJJl本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有

2、关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。学校可以为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：答．J．六函导师虢矽匆加签字日期：矽／多年歹月／7曰签字日期：矽／，年乡月／7日万方数据学校代码：10004北京交通大学硕士专业学位论文密级：公开基于串联弹性驱动器的柔顺机械臂的设计与实验研究Designandexperimentsofacompliantroboticarmbasedo

3、nserieselasticactuator作者姓名：谷小旭导师姓名：张秀丽学号：13125870职称：副教授工程硕士专业领域：机器人学位级别：硕士北京交通大学2015年6月万方数据万方数据致谢本论文的工作是在我的导师张秀丽老师的指导下完成的。非常幸运能够作为张老师的硕士研究生，她严肃的治学态度、严谨的科研精神、精益求精的工作作风和高效的执行力深深的感染和影响着我，每当我懈怠的时候张老师都会给我以动力，遇到困难的时候她也给了我很大的鼓励和支持。不仅在学习和科研上，在思想上和生活上张老师也给我以无微不至的关怀，在此谨向张老师致以最真诚的谢意。在攻读硕士

4、学位期间，师兄龚加庆，课题组的吴海波、师妹王昆以及同实验室的黄冠宇和电信学院的李振毛等同学对我论文的理论研究及实验工作给予了热情的帮助，硕士班级的同学也对我平时的学习生活给予很大的帮助，在此向他们表示衷心的感谢。最后，要感谢我的家人，感谓j-他们对我的理解和支持，使我在学校专心完成学、l匕。万方数据IV万方数据摘要随着科学技术的发展，工业机器人和服务机器人要面对越来越多的人机交互，交互的安全性正在成为关注的热点。传统的机器人为了保证高速和高精度的性能，其机械本体都是以刚性结构为主，致使其末端刚度很大，一旦出现操作失误，将对环境中的其他对象的安全造成威

5、胁。本文设计了一款三自由度柔顺机械臂，通过在传动系统中引入弹簧，实现驱动的柔顺化，利用柔顺控制算法，实现了该三自由度机械臂与环境交互的柔顺性。论文完成的主要工作如下：模仿人体上肢结构，设计了仿人机械臂SoftArmII，具有肩部横滚、肩部俯仰和肘部俯仰三个自由度。基于线弹簧设计了旋转SEA驱动模块，将柔顺元件引入机械臂的关节，用于机械臂的关节驱动，实现机械臂的结构柔顺化。建立了三自由度柔顺机械臂的运动学模型，推导了运动学正逆解及雅可比矩阵。基于运动学模型，计算了机械臂的工作空间，进行了直线、平圆轨迹规划。初步提出了基于雅可比矩阵的系统刚度模型，推导了

6、系统刚度与关节刚度的关系，计算并设计了SEA的内部弹簧参数。采用Adams虚拟样机仿真，验证了所提出的系统刚度模型的合理性和有效性。搭建机械臂的控制系统，编程实现了位置跟随控制和基于力反馈的柔顺交互控制，实验结果表明机械臂有良好的位置跟随性能，在结构柔顺和控制柔顺的共同作用下，机械臂末端力具有明显的柔顺特征，能够在遇到障碍物时，根据末端力的信息进行主动避让，提高了其交互安全性。关键词：串联弹性驱动器；仿人机械臂；柔顺交互；关节刚度万方数据Vl万方数据塑璺型竺!．—一一————————————————————一。一ABSTRACTWi也thedevel

7、opmentofscienceandtechnology,industrialrobotsandseⅣlI：erobotsarefacingmoreandmorehuman—robotinteractions·theinteractlon8ecurityhasbecomeabigconcem．Traditionalrobots’bodyismainlymadeofngldstmcturemordert0guaranteetheperformanceofhighspeedandhighprecision，孤dthecon仃0Isvstemisbased

8、onpositioncontrolmode，SOthewholestiffnessisqultehlgh·U