永磁变刚度机构柔性机器人力学特性研究

提出了一种柔性机器人用永磁变刚度机构。由于电动机转矩有限,在不用增加绳索拉力的情况下,通过该机构实现了柔性机器人关节更强的变刚度能力。该永磁变刚度机构主要由磁弹簧单元和滑轮绳索单元构成。通过虚位移法建立了弹簧磁力和绳索拉力解析模型,通过实验对永磁体间磁力和绳索上的拉力进行测量,测量结果和模型计算结果基本吻合。其结果表明,永磁体间磁力、绳索拉力和刚度随永磁体间气隙减小呈非线性增加,随永磁体长度和平均半径的增加而增加,保持三角形结构高不变,绳索拉力和刚度随着三角形结构底长的增加而增加,减小滑轮半径,可以进一步增加绳索刚度变化范围。     

仿生变刚度关节设计与试验

变刚度关节是一种具有本质柔顺性的机器人机构,能够提高机器人与人交互作用时的安全性。本文设计了一种采用弹簧片的机械式仿生变刚度关节,利用差动轮系实现关节位置与刚度的独立控制。基于弹簧片大挠度变形,在关节中采用的2种弹簧片末端施力结构对刚度特性的影响进行分析,仿真结果表明,末端施力结构对偏转时的刚度变化有较大影响。对变刚度关节样机的刚度性能进行试验,试验结果与仿真结果一致,表明该关节具有较大的刚度变化范围,并且2种末端施力结构可以分别满足持续高刚度和碰撞安全性的应用要求。     

机械手臂结构设计与性能分析

工业机器人具有工作空间大、结构紧凑、灵活性好等优点,但工业机器人机械臂的串联结构形式使其整体刚性存在不足。机器人的末端负载完全由关节处的伺服电机分担,增加了机械臂的驱动功率及能耗。针对上述问题提出一种具有机械手臂的机器人结构,机器人大臂和小臂采用平行四边形框架及对角线驱动的结构形式,利用平行四边形框架平衡外部弯矩作用。仿真结果表明,与工业机器人相比,在仅有外部重力负载作用时大臂的驱动功率可以降低20%~80%,小臂的功率与工业机器人相当;在仅有外部弯矩作用时,无需消耗电机的驱动功率,从原理上降低了机械臂的驱动功率及能耗。此外,对机器人整体刚度进行计算,计算结果表明,此机器人的整体刚度优于工业机器人,有利于提高机器人在搬运、码垛等作业中的负载能力。     

基于滑轮组和永磁弹簧的变刚度关节设计与控制

基于永磁弹簧、滑轮组和类行星轮系结构提出了一种新型的绳索驱动变刚度机器人肘关节。阐述了关节中应用的原理和样机整体结构设计。利用模型间静力学关系和雅可比矩阵推导得到关节的刚度模型,并给出了关节刚度随磁弹簧刚度和关节位置变化规律。以变刚度关节的动力学模型为基础,设计了变刚度肘关节的刚度与位置解耦控制器。通过变刚度关节的刚度和位置解耦验证实验,验证了解耦控制器的准确性。通过轨迹跟踪实验,给出了关节刚度变化对关节位置控制的影响规律。本文提出的绳驱变刚度肘关节具有更轻的质量与结构,较好的刚度变化性能与运动精度。     

基于模拟退火算法的机械臂刚度辨识构型优化与实验

针对机械臂关节刚度辨识的测量构型提出了新的优化方法和实验设计思路。首先,综合考虑机械臂形位以及载荷矢量对刚度辨识的影响,采用参数κ－1F(A)作为测量构型评价指标。在此基础上,通过合适的模拟退火优化算法得到基于κ－1F(A)的最优测量构型。基于设计的多向加载装置实现了载荷的优化加载。实验结果表明,与典型评价指标κ－1F(J)相比,κ－1F(A)的最优化测量构型能更好地克服多种测量误差影响,补偿后末端位置精度提高29.59%,最大位置误差降低32.71%。可应用于实际工业环境中的串联机械臂刚度标定。     

基于改进RRT*-Connect算法的机械臂多场景运动规划

针对RRT*-Connect算法在机械臂运动规划过程中存在效率低、精度差等问题,本文提出一种基于自适应步长的启发式RRT*-Connect机械臂运动规划算法。引入目标偏向策略进行椭球子集约束采样,使采样点能够更快地收敛到最优值。在扩展节点时,设计一种自适应步长策略以减少算法的迭代次数,并有效缩短规划路径的长度。当搜索树中总节点数大于预设阈值时,通过搜索树优化剪枝方法对搜索树进行剪枝,删除无效的采样点,进一步降低运行时间。为了验证本文算法的优势,在多种规划场景下分别与RRT*、RRT*-Connect、IRRT*算法进行了Matlab仿真对比。仿真结果表明,本文算法在规划过程中收敛速度更快,精度和效率更高。为了验证本文算法的实用性,构造了不同障碍物实验场景,在Sawyer机械臂实验平台进行实验验证。实验结果表明,本文算法在不同障碍环境下具有较强的适应能力。     

基于磁通叠加原理的变刚度关节设计与特性研究

基于磁通叠加原理，提出了一种机器人变刚度关节，在减少了关节质量的同时增加了关节刚度的调整速度和运动范围。阐述了通过电信号直接调整永磁-电磁混合式变刚度装置中磁通量，实现刚度改变的工作原理，并以此原理设计关节整体机构。根据磁通连续性原理和虚位移法建立了关节刚度模型，并给出关节刚度随电流和关节位置的变化关系。以变刚度关节刚度模型为基础，设计了变刚度关节位置与刚度协调控制器，搭建了变刚度关节的原理样机。实验结果表明，基于磁通叠加原理的变刚度机器人关节可以实现关节刚度的快速调节，关节的位置和轨迹跟踪精度随着刚度的增加而增加，随着频率的增加而降低。