基于柔性关节的人机协作机器人机械臂结构设计与研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文基于柔性关节的人机协作机器人机械臂结构设计与研究论文作者：曹帅学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：机械工程指导教师：苑光明职称：教授资助基金项目：国家自然科学基金“面向人机共融协作的柔性双臂机器人安全作业机理研究”（NO.51575157）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringMan-robotcollaborationrobotbase

2、donflexiblejointmechanicalarmstructuredesignandresearchbyCaoShuaiSupervisor:Prof.YuanGuangmingMay2017ThisworksupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina.原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论

3、文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（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：日期：导师签名：日期：摘要

4、传统工业机器人因柔性与安全性问题导致人机空间隔离，因此机器人的柔顺性和安全性是实现人机紧密协作的首要任务与主要难点。串联弹性驱动器（SEA）是关节安全性和柔顺性的结构基础，本文设计的机器人关节基于串联弹性驱动器，设计了基于柔性关节的机械臂，并对柔性关节的能耗和柔顺控制算法进行了研究。本文主要研究内容和创新性成果如下：1.设计了基于SEA的中空柔性关节，扭转弹性元件使SEA结构更加紧凑，利用ANSYS对扭转弹性元件进行了应力应变分析，结果表明满足设计要求。2.进行外力冲击实验仿真研究，证明了扭转弹性元件对降低关节刚度的作用，利用Matl

5、ab对关节能耗进行了研究，得出增大关节阻尼能降低柔性关节高频能耗的结论，为关节设计添加旋转阻尼器找到了理论依据。3.设计了四自由度的机器人机械臂，采用D-H法计算了机械臂的运动学正解和逆解，雅克比矩阵，进行了运动学正解仿真，通过蒙特卡洛法得到机械臂的工作空间点云图。4.建立了柔性关节动力学模型，设计了位置内环、力外环的控制器结构，求解了位置开环传递函数和导纳控制参数，通过实验仿真得到位置跟踪曲线和交互力矩曲线，得出基于位置的导纳控制可以有效降低交互力矩。关键字：人机协作机器人；柔性关节；串联弹性驱动器；运动学；导纳控制IABSTRAC

6、TBecauseofflexibilityandsecurityproblems，thespaceofhuman-robotisisolate-d,thusinordertorealizehumancloselycollaboratewithrobotinthesamespace,theflexibilityandsecurityofrobotshavebecomeatoppriorityandmaindifficulty.Jointofrobotbacedonserieselasticactuator,whichisphysical

7、foundationforsec-urityandflexibilityofjointhasbeendesigned.Mechanicalarmbasedontheflexib-lejointhasbeendesigned,theenergyconsumptionandcompliantcontrolalgorithmofflexiblejointhavebeenstudied.Themaincontentsandinnovationachievementsareasfollows:1.Ahollowflexiblejointbase

8、donserieselasticactuatorhasbeendesigned,thetorsionalelasticelementmakesthestructureserieselasticactuatormoreco