被动式五连杆人机合作机器人研究

论文题目: 被动式五连杆人机合作机器人研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械设计及理论

作者: 路敦民

导师: 张立勋

关键词: 合作机器人,五杆机构,虚拟约束,控制策略,不完全约束传动机构

文献来源: 哈尔滨工程大学

发表年度: 2005

论文摘要: 人机合作机器人(Collaborative Robot简称Cobot)是一种新型的特种机器人。它将传统工业机器人的作业精度高，承载能力大的优点和操作者的灵活性、柔顺性好的优点结合起来，使机器人和操作者能够在同一工作空间内协同作业，从而显著的降低作业强度，提高作业精度及劳动效率。Cobot的显著特点是以被动方式和约束方式工作，其电动机的运动不会使关节运动，它只改变关节之间的速度关系，从而对机器人末端的运动方向进行约束控制，实现机器人的运动轨迹控制。操作者和Cobot合作时，承载重力、轨迹控制由Cobot完成，操作者提供Cobot末端运动的力。Cobot在智能助力作业设备、医疗中的外科手术、虚拟现实、遥操作中的临场感技术以及日常生活等方面具有广泛的应用前景。本论文的研究工作来自于国家自然科学基金项目“被动式与人合作机器人(Cobot)的关键技术研究”。主要研究目的是研制出具有被动特性和轨迹约束特性的人机合作机器人。主要研究人机合作机器人的机构、控制系统、运动学和动力学特性、控制策略等内容，并研制了原理样机，对人机合作机器人的特性进行了实验研究。论文首先综述了国内外人机合作机器人(或相关)领域的研究现状。在对国内外现有人机合作机器人的机构、工作原理、控制方式分析和比较的基础上，提出了五连杆式人机合作机器人的机构方案、控制方案和控制策略。根据人机合作机器人的特点和控制要求，设计了基于双单向超越离合器和双直流电动机的不完全约束传动机构(NCT)。利用单向超越离合器的单向超越特性和蜗轮蜗杆的反向自锁特性，使机构具有被动特性和速度约束特性，可以用于人机合作机器人关节机构的运动约束。研制了由两套不完全约束传动机构和五连杆机构组成的人机合作机器人样机，采用的是并联耦合机构。NCT都安装在基座上，在基座关节上装有增量式编码器，在机器人的末端装有可测量操作者操作力的力传感器，该机器人样机具有人机合作机器人的基本特点。论文利用D-H法对五杆Cobot运动学正、逆过程进行了分析，推导出位置、速度和加速度的正、逆运动学方程。利用MATLAB软件中的SimMechanics对所推导的机器人运动学正逆分析的结果进行检验。对机器人末端匀速运动时机座关节的角速度变化情况进行了分析。对Cobot的速度约

论文目录:

第1章绪论

1.1 课题的来源

1.2 课题的研究意义

1.3 国内外相关领域研究综述

1.3.1 美国的研究概况

1.3.2 法国的研究概况

1.3.3 日本的研究概况

1.3.4 德国的研究概况

1.3.5 国内研究概况

1.4 论文的主要研究内容

第2章人机合作机器人总体方案研究

2.1 人机合作机器人机构方案

2.1.1 人机合作机器人机构

2.1.2 NCT机构

2.2 人机合作机器人的工作模式

2.3 人机合作机器人控制方案

2.4 人机合作机器人控制策略

2.4.1 速度约束控制策略

2.4.2 位置约束控制策略

2.5 本章小结

第3章人机合作机器人运动学分析及仿真

3.1 Cobot运动学分析

3.1.1 Cobot运动学正分析

3.1.2 Cobot运动学逆分析

3.2 Cobot运动学仿真

3.2.1 工作空间仿真

3.2.2 运动学正逆分析检验

3.2.3 Cobot轨迹规划仿真

3.2.4 机座关节速度变化情况仿真

3.2.5 速度约束特性仿真

3.3 本章小结

第4章人机合作机器人动力学分析及仿真

4.1 速度约束系统动力学分析及仿真

4.1.1 直流电动机的动态数学模型

4.1.2 模拟P/I调节器的仿真设计

4.2 五连杆Cobot动力学分析

4.3 五连杆Cobot动力学特性仿真

4.3.1 不考虑机座关节摩擦时的动力学特性仿真

4.3.2 考虑机座关节摩擦时的动力学特性仿真

4.4 本章小结

第5章人机合作机器人控制特性分析及仿真

5.1 速度约束控制策略

5.1.1 约束速度的求解方法

5.1.2 轨迹偏差△R的求解方法

5.2 速度约束控制策略仿真

5.2.1 直线轨迹控制仿真

5.2.2 圆弧轨迹控制仿真

5.3 位置约束控制策略

5.3.1 位置约束控制策略原理

5.3.2 单闭环控制仿真

5.3.3 双闭环控制仿真

5.4 本章小结

第6章五连杆式人机合作机器人实验研究

6.1 Cobot原理样机构成

6.2 Cobot控制系统

6.2.1 上位机硬件设计

6.2.2 下位机硬件设计

6.2.3 上位机软件设计

6.2.4 下位机软件设计

6.3 Cobot下位机实验

6.3.1 粘滞摩擦系数和库仑摩擦力矩测量实验

6.3.2 下位机特性实验

6.4 Cobot上下位机通讯实验

6.5 Cobot上位机实验

6.5.1 标定及位移正、逆分析实验

6.5.2 自由模式实验

6.5.3 约束模式实验

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

个人简历

发布时间: 2006-10-13

参考文献

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[4].自动施药机器人及可变量控制系统研究[D]. 陈勇.南京林业大学2005
[5].高压输电线路巡线作业机器人中若干动力学问题的研究[D]. 肖晓晖.华中科技大学2005
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被动式五连杆人机合作机器人研究

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