拮抗变刚度柔顺驱动器的设计与研究

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1、硕士学位论文题目:拮抗变刚度柔顺驱动器的设计与研究研究生胡涛专业机械电子工程指导教师周建军教授完成日期2015年12月杭州电子科技大学硕士学位论文拮抗变刚度柔顺驱动器的设计与研究研究生：胡涛指导教师：周建军教授2015年12月DissertationSubmittedtoHangzhouDianziUniversityfortheDegreeofMasterResearchandDesignonVariableStiffnessCompliantActuatorBasedonAntagonismCandidate:HuTaoSupervisor:Prof.

2、ZhouJianjunDecember,2015杭州电子科技大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文．是本人在导师的指导下．独立进行研巧工作所取得的成。除文中己经化明引用的内容外果，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果：对本文的研化做出重要贡献的个人和集体．均已在文中Ｗ明确方式标明。一申请学位论文与资料若有不实么处，本人承担切相关贵任。论文作者签日期：＞＾年月曰＾＾＆／学位论文使用授权说明本人克全丫解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定．即：研巧生在校攻读学

3、位期间论文工作的知Ｕ！产权单位属杭州电科技大学。本人保证毕业离校后．发表治文或使用论文工作成果时署中位化然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件．允许查阅和借阅论文；学校公布论文的全部或部分内容．１可＾＞１允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。Ｃ保密论文在解密巧遵守此规定）＾：日期论文作者签名：＞年月０愈／（＾＾１＾指导教师签名日期＾＞＼年０１）＾月、Ｉ－杭州电子科技大学硕士学位论文摘要工业机器人伴随着人类提高生产效率，减轻劳动负担的需要而诞生，随着人类生活水平的提高，希望机器人能够走进人们的

4、生活中，给日常的生活和娱乐注入新的元素。然而在机器人进入到日常家庭之前，一直有几个重要的难题横亘在面前，那就是机器人在与人交互过程中存在的安全性、与周围环境的适应性以及工作中能量利用率的问题。关节驱动器是机器人运动得以实现的主要功能部件，是解决上述问题的关键。关于驱动器的设计，目前尚未有一个切实有效的，且适用性强的柔顺驱动器设计方法；生物骨骼肌驱动系统具有诸多优势，本文基于仿生拮抗柔顺驱动的原理分析设计了一种变刚度柔顺关节驱动器，并从驱动器刚度特性的角度对驱动器的安全性等问题进行分析研究，具体工作内容如下：首先，简单介绍了柔顺驱动器概念，对驱动器柔顺功能的

5、实现方法进行了归纳和分类，并对国内外的研究现状进行了概述，列举分析了具有代表性的拮抗变刚度柔顺驱动器模型。其次，基于拮抗变刚度驱动的机理，确立了驱动器的实现方案；进一步分析了驱动器刚度形成原理，在此基础上建立了驱动器刚度的数学模型；基于MATLAB数学分析工具，用变量控制法对影响该驱动器静态刚度特性的影响因素进行了理论分析，并结合设计指标给出样机设计指导参数。再次，根据通过对驱动电机、同步带传动、弹性元件等的设计计算与验算，选定了RX-28等主要部件；依据带传动与张紧装置的相关参数，建立了拮抗驱动器刚度的准确数学模型；在此模型的基础上分析了驱动器的空载静态

6、刚度特性和静载静态刚度特性，得到了驱动器静态下刚度性能。然后，运用拉格朗日法对驱动器进行了动力学分析，得到了系统动力学方程；与此同时，还分别建立了拮抗SEA模型和驱动电机的数学模型；在此基础上，于Simulink中分别建立仿真模型。最后，就拮抗驱动器进行了控制分析，结合PID控制方法，对驱动器的位置控制、刚度控制、位置-刚度解耦控制等策略进行了研究；在Simulink中设计了仿真实验，对上述控制策略下的驱动器动态性能进行研究，结果表明驱动器可有效的跟踪正弦波，具备一定的精度；对外部力矩作用，柔顺驱动器能实现有效的回驱，具备一定的安全性。研制了拮抗变刚度驱动

7、的实验样机，用于后期的实验研究，对理论分析和仿真结果进行验证。关键词：机器人，关节驱动器，变刚度，柔性，拮抗I杭州电子科技大学硕士学位论文ABSTRACTTheindustrialrobotshavecomewithneedsofthehumantoimprovetheproductionefficiency,andtoreducethelabourintensity,ithaveenrichedthematerialwealthofhumanbeings.Withtheimprovementofthelivingstandardofthehumans,t

8、herobotsarehopedtowalkintothelife