机器人变刚度柔性关节实验装置研制

针对本科生和研究生关于共融机器人的教学需求,采用基于阿基米德螺旋移位原理的支点调节机构具体化变刚度方案,研制了一套具有“模块化程度高、刚度调节范围宽、具有可拓展性”等优点的机器人变刚度柔性关节实验装置。该装置可用于关节刚度标定、关节刚度调节等实验教学,涵盖机械原理、机械设计、传感与测试技术、机电伺服系统设计等课程内容,有助于学生深入了解共融机器人特性,进一步提升学生的实践动手能力。

变刚度柔性关节机构的驱动调节控制优化

变刚度柔性关节机构在主-被动复合驱动调节时受到关节部位阻尼的作用,导致驱动调节的全局稳态性不好,提出一种基于复合式幅值饱和非线性状态反馈的变刚度柔性关节机构优化控制设计方法,构造变刚度柔性关节机构的动力学模型,以柔性关节等效刚度、阻尼力和关节弹簧压缩量等参量为控制约束参量,建立变刚度柔性关节机构的被控对象模型,结合幅值饱和非线性状态反馈控制方法进行自适应阻尼误差修正,根据主-被动复合刚度特性进行变刚度柔性关节机构的驱动惯性参量调节,实现关节机构驱动调节控制。仿真结果表明,采用该方法进行变刚度柔性关节机构控制的稳定性较好,驱动调节能力较强。

弹性关节空间机械臂级联智能滑模控制

谐波减速器和力矩传感器等柔性元件因其独特性能而广泛应用在空间机器人关节系统中,以获取高减速比.但同时这些柔性元件的存在为空间机械臂系统引入了关节柔性,使得对其稳定控制变得更为复杂.基于此,文中讨论了基于自适应回归小波神经网络(Self-RecurrentWaveletNeuralNetworks,SRWNN)的弹性关节空间机械臂系统动力学建模及级联智能滑模控制.首先,利用级联系统理论及第二类拉格朗日方法推导出了由外环刚性臂子系统和内环关节电机转子子系统组成的系统级联动力学模型;其次,为两个子系统分别设计了内、外环自适应滑模回归小波神经网络控制.外环控制算法以期望轨迹为控制量,而其控制信号作为抑制弹性关节振动的内环控制算法的控制量,整个控制系统由内、外环控制系统叠加而成;而后,基于Lyapunov稳定性理论证明了整个控制系统的稳定性并设计了自适应回归小波神经网络的各权值参数在线学习算法.所提的控制算法有效地消除了模型不确定的影响,避免了复杂的求导计算和角加速度可测的要求,同时,控制系统设计过程中未涉及惯常奇异摄动双时标分解操作,在理论上适合任意大小的关节柔性刚度.最后,系统对比仿真试验证明了所提的级联智能控制算法优于惯常基于奇异摄动法和基于柔性铰补偿奇异摄动法的控制方案.

基于形状记忆合金的变刚度外骨骼设计与建模

为减轻变刚度驱动单元质量,缩小其体积,提出一种基于形状记忆合金(SMA)的变刚度主动元,单个变刚度主动元质量约为68.5 g.为精确控制外骨骼刚度,结合SMA本构模型、相变动力学模型、热平衡方程、输出方程,对SMA进行动态建模.为最大化满足人体运动需求,通过并行布置变刚度主动元的方式,结合导轨机构,构建轻质变刚度外骨骼的原理样机.测试结果显示外骨骼变刚度范围为7~20 N/mm,验证了外骨骼功能的有效性.