欠驱动力合作机器人的驱动及控制技术研究

论文摘要

合作机器人(collaborative robot简称cobot)是一种与人在同一作业空间内直接进行物理合作的新型机器人。它继承了传统工业机器人的作业精度高、承载能力强的特点，同时发挥了操作者的智能、视觉、触觉和灵活性等特长，使机器人与操作者在同一作业空间内合作成为可能。不仅降低了劳动强度，而且提高了作业水平和生产效率。Cobot的突出特点是以被动约束方式工作，其关节电动机的运动不会使关节产生运动，只改变关节之间的转速比，来对机器人末端的轨迹进行控制。操作者提供了cobot末端运动的力，cobot的控制系统对其末端轨迹进行约束控制。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。 论文的研究课题来源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”。主要研究在欠驱动力条件下cobot的驱动控制技术，为新型合作机器人产品的研制和工程化提供理论依据。主要内容包括欠驱动力合作机器人的动力学特性、虚拟轨迹控制策略、微操作力提升系统的控制策略等，开发研制了实验样机，并基于dSPACE半物理仿真平台对该合作机器人进行了实验研究。 论文在综述了国内外合作机器人技术的研究发展状况，比较了国内外现有合作机器人的机构特点、工作原理基础上，提出了欠驱动力合作机器人的概念，阐述了其关节机构特点和工作原理。 根据合作机器人的特点，提出了基于操作力的轨迹规划方法。根据cobot末端当前位置、操作力和期望轨迹，利用微分几何原理建立了cobot的虚拟轨迹控制模型，推导了期望轨迹为直线和圆弧时的轨迹规划模型。建立了cobot轨迹控制的Simulink模型和SimMechanics模型，对cobot跟踪直线和圆弧轨迹进行了仿真研究。 设计了基于双单向超越离合器的关节约束传动机构。建立了超越离合器的数学模型和基于双超越离合器的关节机构数学模型，对关节特性进行了仿真分析。应用拉格朗日功能平衡法和牛顿—欧拉法(闭环矢量法)建立了cobot的动力学方程，并基于Simulink，MATLAB函数和SimMechanics建立了三

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 国内外研究综述
• 1.3.1 美国
• 1.3.2 法国
• 1.3.3 德国
• 1.3.4 日本
• 1.3.5 中国
• 1.4 论文主要内容
• 第2章 Cobot的虚拟轨迹控制策略
• 2.1 Cobot工作空间分析
• 2.2 虚拟轨迹控制策略
• 2.2.1 虚拟轨迹控制原理
• 2.2.2 直线轨迹规划模型
• 2.2.3 圆弧轨迹规划模型
• 2.2.4 二次曲线规划模型
• 2.3 关节机构的控制及仿真
• 2.3.1 Cobot关节工作模式
• 2.3.2 Cobot关节机构的控制模型
• 2.3.3 Cobot关节机构的仿真分析
• 2.4 Cobot虚拟轨迹控制
• 2.4.1 基于Simulink的轨迹控制仿真分析
• 2.4.2 基于SimMechanics的虚拟轨迹仿真
• 2.5 本章小结
• 第3章 欠驱动力cobot动力学及控制
• 3.1 Cobot总体结构
• 3.1.1 Cobot机构
• 3.1.2 关节约束机构
• 3.2 Cobot关节机构建模及仿真
• 3.2.1 超越离合器的数学模型
• 3.2.2 关节机构的数学模型
• 3.2.3 关节机构的仿真分析
• 3.3 基于拉格朗日方程的cobot动力学建模及仿真
• 3.3.1 Cobot动力学方程
• 3.3.2 Cobot仿真研究
• 3.4 基于闭环矢量法的cobot动力学建模及仿真
• 3.4.1 Cobot的运动约束方程
• 3.4.2 Cobot的牛顿—欧拉方程组
• 3.4.3 约束矩阵方程
• 3.4.4 仿真研究
• 3.5 基于SimMechanics的cobot控制仿真
• 3.6 动力学分析方法比较
• 3.7 本章小结
• 第4章 微操作力提升系统的控制策略
• 4.1 Cobot微操作力提升系统的组成
• 4.2 微操作力提升系统建模
• 4.2.1 机器人的柔顺控制概述
• 4.2.2 微操作力提升系统建模
• 4.3 微操作力提升系统的阻抗控制策略
• 4.3.1 基于sisotool的系统控制器设计
• 4.3.2 阻抗控制策略仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 欠驱动力cobot样机研制
• 5.1 欠驱动力cobot的总体控制方案
• 5.2 dSPACE半物理仿真系统
• 5.2.1 dSPACE仿真系统概述
• 5.2.2 dSPACE仿真系统的功能
• 5.3 下位机系统硬件结构
• 5.3.1 关节控制系统硬件结构
• 5.3.2 提升系统硬件结构
• 5.4 欠驱动力cobot的样机
• 5.4.1 Cobot原理样机构成
• 5.4.2 Cobot实验样机
• 5.5 本章小结
• 第6章 基于dSPACE的半物理仿真实验研究
• 6.1 传感器标定实验
• 6.1.1 标定环境
• 6.1.2 提升力传感器标定
• 6.1.3 径向力和切向力传感器标定
• 6.1.4 数据处理
• 6.2 非约束状态下cobot动力学实验
• 6.3 关节机构控制实验
• 6.3.1 关节伺服系统辨识
• 6.3.2 关节控制实验
• 6.4 欠驱动力cobot控制实验
• 6.4.1 关节约束特性实验
• 6.4.2 欠驱动力关节约束特性实验
• 6.4.3 Cobot轨迹控制实验
• 6.5 Cobot提升系统的控制实验
• 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