为了提高输出力矩较大的机械臂类机器人的人机物理接触安全性,本文设计了一种大转矩、刚度可连续变化的液压伺服柔顺关节。首先介绍了关节的结构、伺服机理以及阀控泄漏流量调节关节刚度的原理,然后建立了具有阀控泄漏流量的关节动力学模型,最后借助MATLAB/Simulink工具箱建立关节系统模型,研究了阀控泄漏流量对关节动态特性和刚度的影响。模拟结果表明,随着阀控泄漏流量的增加,系统的位置跟随性变差,位置误差相应增大,关节的刚度则随之降低。

为了实现机器人的内在主动柔顺,应用磁流变液的可控特性,设计了基于磁流变液传动的多盘式柔顺关节。基于Bingham塑性模型建立了柔顺关节的扭矩传递模型,仿真分析了盘片直径、盘片间隙、励磁电流等因素对输出扭矩的影响规律,根据理论分析和仿真,得到柔顺关节的机械结构参数。设计实验平台对柔顺关节样机进行了盘片壁面形貌对动力传递性能影响、空转力矩特性、动力传动特性、静态特性、转速-输出转矩特性以及阶跃输入、阶跃负载情况下的动态响应实验研究。结果表明基于磁流变液传动的柔顺关节盘片表面粗糙度越大,所能传递的扭矩越大,磁流变传动输出稳定,且可以无级调控。

针对传统刚性机器人关节在安全性和适应性方面明显不足等问题,基于磁流变技术提出了一种新型机器人柔顺关节原理,在传统的机器人关节刚性结构内部嵌入了磁流变传动机构,使其成为一种兼具刚性和柔性的关节结构。利用电磁仿真软件Ansoft Maxwell建立了磁流变液柔顺关节的仿真模型,进行了参数化设计。建立了柔顺关节可变刚度模型以及传递转角的运动学模型,并利用Matlab对理论模型进行了验证。仿真结果表明,关节输出转矩随着线圈电流的增大而近似线性增大;在相同时间内,当输入电流越大,转动角度越大,而且当工作时间增加后,转动角度的增幅增大。

随着机器人应用向智能工厂、助老助残服务、医疗、教育娱乐等领域不断扩展,机器人的柔顺性和主动适应性设计需求越来越受到研究人员的关注。本文综述了机器人柔顺关节的机构原理,包含了弹性元件被动柔顺关节、气动主动柔顺关节、磁场力柔顺关节和智能材料柔顺关节。进一步分析了当前机器人柔顺关节研究中存在的结构、建模与控制、动力供给等方面的问题。最后指出机器人柔顺关节的研究趋势主要表现在驱动与结构创新、数学建模与控制、多学科交叉与合作研发等方面。

针对人机交互中刚性机器人关节在碰撞中的冲击力会对人产生危害的问题,对磁流变液变刚度传动装置进行了设计、建模和实验分析,提出了一种基于多盘式磁流变液传动的柔性关节。首先建立了传动装置传递的转矩数学模型,利用Matlab对各影响参数进行了仿真分析;然后根据仿真结果设计了磁流变液传动结构,利用磁场有限元仿真软件Ansoft Maxwell对磁路进行了验证;最后,搭建了实验平台,对磁流变液传动装置输出转矩进行了实验测试。研究结果表明:磁流变液传动装置能有效传递扭矩,输出扭矩与输入磁场强度的线性度好、响应快,传动特性能满足对机器人关节的使用要求。

为了提高输出力矩较大的液压机械臂类机器人的人机物理接触安全性,本文设计了一种液压伺服被动柔顺关节,首先介绍了该关节的结构、基本工作原理及液压控制系统动力学模型,然后借助MATLAB/Simulink工具箱建立关节系统模型并进行碰撞仿真实验,还通过模拟实验优化了相关参数。模拟结果表明,液压伺服被动柔顺关节具有良好的柔顺性,能够迅速对意外碰撞进行位置反馈调节。

本文引入非接触阻抗控制理论对间接自适应阻抗控制进行改进从而获得非接触自适应阻抗控制。借助MATLAB/simulink仿真平台,将非接触自适应阻抗控制作为液压机械臂的主动柔顺控制并与关节的被动柔顺控制相结合,从而实现对关节的主、被动联合柔顺控制。仿真结果表明,主、被动联合柔顺控制效果较理想,可使机械臂在与环境接触时兼具较好的运动性能与较高的安全性能。

为了提高液压机械臂的人机物理接触安全性,本文基于液压转角自伺服柔顺关节构建液压机械臂模型,通过仿真模拟研究了机械臂与外界发生意外碰撞及主动接触时的主动柔顺控制。模拟结果表明,当机械臂与环境发生意外碰撞时,借助所改进的阻抗控制策略,机械臂可以快速逃离碰撞物并与碰撞物保持一个安全的接触力值;当机械臂对未知环境进行力控任务时,采用变阻尼阻抗控制可以实现零稳态误差、低过冲和快速上升的力响应。

为了解决机构在一定输入范围内需要输出常力的问题,提出在一般初始位形下,空间曲柄滑块机构（RSSP）空间柔顺常力机构的建模与参数优化方法.建立机构柔顺关节的变形量与机构无量纲几何参数的关系.运用虚功原理,建立机构输出端与外部环境接触力与柔顺关节的扭矩的力学模型.以接触力采样点相邻差值和的方法表征接触力波动特征的大小,建立起表征接触力波动的目标函数.优化得出一般初始位形下的空间柔顺常力机构的无量纲化结构参数.设计出实验装置,测得实际输出接触力.结果表明,实际接触力围绕着理论接触常力在5%以内波动.