自绝缘仿生柔性并联关节的设计与控制

《自绝缘仿生柔性并联关节的设计与控制》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、学校代码：10286分类号：TM921.54密级：公开UDC：621.3学号：159185自绝缘仿生柔性并联关节的设计与控制研究生姓名：姜雷杰导师姓名：高丙团教授申请学位类别工学博士学位授予单位东南大学一级学科名称电气工程论文答辩日期2018年8月22日二级学科名称学位授予日期2018年月日答辩委员会主席陆建峰教授评阅人盲审2018年8月29日博士学位论文自绝缘仿生柔性并联关节的设计与控制专业名称：电气工程研究生姓名：姜雷杰导师姓名：高丙团教授本论文获东南大学优秀青年教师科研资助计划项目（2242015R30024）和江苏省“六大人才高峰”第十

2、一批高层次人才资助计划项目（2014-ZBZZ-001）的资助。DESIGNANDCONTROLOFSELF-INSULATEDBIO-INSPIREDFLEXIBLEPARALLELJOINTADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringBYJIANGLei-jieSupervisedbyProfessorGAOBing-tuanSchoolofElectricalEngineeringSoutheastUniversit

3、yAugust2018摘要摘要当前带电作业主要依赖人工手段，难以有效保障带电作业人员的人身安全、提高作业效率。通过采用带电作业机器人代替人工手段开展带电作业任务可有效防止人身伤亡事故的发生并且能够提高带电作业效率。传统的带电作业机器人由于采用内嵌电机或液压的串联驱动方式，使得带电作业机器人具有自重大和绝缘成本高的缺点。由解剖学和生物运动学可知，人类臂膀的生物运动是由骨骼作为支撑、肌肉进行驱动实现的；灵活的肩关节和腕关节是并联驱动的方式。鉴于此，本课题面向带电作业的应用，通过仿生人类臂膀，尝试研究一种包含肩关节、肘关节和腕关节的自绝缘仿生机器人臂

4、。通过绳索远程驱动模拟人的肌肉驱动，将驱动电机等导电单元从机器人臂中分离出来，机器人臂本体采用绝缘材料进行设计和构造，从而保证仿生机器人臂自身具有绝缘特性。自绝缘仿生机器人臂是一个包含腕关节机构、肘关节机构和肩关节机构的复杂多体系统，但其最关键的组成部分是各个仿生关节。由于人类手臂肘关节可以等效为1个自由度（1-DOF）的旋转运动，该关节自由度可通过一个2根绳索驱动的转动关节机构模拟，研究机理较为简单，故不予考虑。人类手臂的腕关节和肩关节可等效为3-DOF旋转运动，均可以通过一个由多根绳索驱动的带有柔性支撑体的3-DOF（Roll、Pitcha

5、ndYaw）并联机构模拟；针对具有柔性支撑脊柱的3-DOF绳索驱动并联机构，其横滚（Roll）和俯仰（Pitch）运动与偏航（Yaw）运动是可以通过机构设计解耦实现，而横滚（Roll）和俯仰（Pitch）运动的绳索驱动并联机构动力学及其运动控制较为根本。因此，本文主要的研究对象是绳索驱动的具有柔性支撑脊椎的2-DOF（RollandPitch）仿生柔性并联关节，重点研究模拟人类手臂腕关节/肩关节运动的机构，并深入探究该机构的设计、动力学、控制与绝缘特性等问题。首先，考虑到柔性支撑体具有侧向弯曲特征，提出一种运动学与静力学相结合的方法同时求解系统

6、的运动学与静力学。通过仿真分析可知，所建的运动学和静力学模型是合理的和正确的。为了降低驱动器规模和减少能源消耗，基于系统的运动学和静力学并结合绳索位置的限制和绳索单向驱动输入两个约束优化了绳索的布局。优化结果表明，将绳索两端放置在越靠近驱动绳索与定平台和动平台连接半径上限的位置越好。此外，为了获得良好的运动性能，基于绳索拉力为正的约束分析了系统的工作空间。仿真结果表明，机构的平移工作空间是一个倒立的锥体并且它的体积随半径比（驱动绳索与定平台的连接半径对与动平台的连接半径的比值）值的增加而增大。通过分析仿真结果可知I东南大学博士学位论文仿生柔性并

7、联关节机构的绳索布局优化设计和工作空间分析方法是合理的。其次，基于拉格朗日方程，将刚体大范围运动和柔性体小变形耦合相结合，构建了考虑柔性振动因素、仅考虑径向柔性振动因素以及忽略柔性振动因素的三种系统动力学模型。为了能够用较小的能量实现柔性系统的最小误差，基于第一种系统动力学模型设计了线性二次型最优控制（LinearQuadraticOptimalControl，简称LQOC）器。为了在抑制系统柔性振动的同时能够使系统位置跟踪误差较小，基于第二种系统动力学模型设计了非线性控制（NonlinearControl，简称NC）器。为了使闭环系统稳定的同

8、时能够及时地消除系统的干扰以及减少系统的跟踪误差，基于第三种系统动力学模型设计了带有前馈控制的比例微分控制（PDwithFeed-forwardCon