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《重庆大学》 2005年
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基于逆滚动螺旋的机器人关节的研究

王光建  
【摘要】:机器人关节系统属于机器人的基础部件,是整个机器人伺服系统中的一个重要环节,其结构、重量、尺寸、精度等对机器人有直接影响。本文是国家863 计划机器人技术主题基础部件及系统专题资助项目“一种多螺旋式新型通用关节的研究”(课题编号:2002AA423140)研究内容的组成部分。本文创造性的提出了基于逆滚动螺旋传动机构的机器人旋转关节,并申请发明专利“机器人液螺纵关节”,它具有尺寸小,精度高,可承受较大负荷等优点。本文针对逆螺旋关节的特点,在结构创新,设计,加工,有限元计算分析,运动原理,滚珠接触分析,控制系统设计分析,基于PID 控制的仿真,基于自适应模糊控制的仿真,实验研究等方面进行了比较系统的研究。本文研究的主要工作和成果可概括如下: 1.本文按模块化、标准化思想将关节分为纵关节和横关节,相应地将关节模块分为横关节模块,纵关节模块和连杆模块;本文提出了逆滚动螺旋传动理论,并对逆滚动螺旋机构进行了结构创新,提出标准化的了单螺旋机构,双螺旋机构,电驱动,液压驱动等数种螺旋关节; 2.对逆滚动螺旋关节进行了设计计算,对关键零部件进行了有限元分析;对滚动螺旋副,止推副进行了滚动接触分析;计算表明关节主要零部件完全能承受设计载荷,滚珠与螺旋套、螺旋轴、花键套等不会发生过大的塑性变形而导致失效;对关节系统的动态特性进行有限元数值分析,求解其约束模态; 3.针对大升角、小尺寸的内螺旋槽加工的难点,提出了逼近加工内螺旋槽的方法;利用UG、IDEAS 软件进行了刀具设计、加工仿真,仿真表明逼近法加工在精度要求的范围内是可行的;在多坐标改造后的数控铣床进行粗加工后,使用高速风动磨头、CBN 砂轮和金刚石砂轮进行磨削加工,加工精度符合要求; 4.建立了液压驱动的关节伺服控制数学模型;基于MATLAB 软件的simulink软件包进行了控制系统分析,进行了液螺关节控制方法研究;对液螺关节PID 控制进行了仿真,由于伺服控制系统属于I 型系统,不存在稳态误差,PID 控制主要目的是提高稳定性,响应速度和减小瞬态误差,本文根据选取的PID 参数进行仿真,其正弦响应和方波响应具有良好的位置跟踪精度; 5.利用模糊控制理论进行了液螺关节模糊控制特性研究,对简单模糊控制和自适应模糊PID 控制性能进行了simulink 仿真研究;由于液压系统特性参数常常发生变动,简单模糊控制不能很好适应这种变动,而自适应PID 模糊控制则能适应这种变化,仿真表明,自适应模糊PID 控制具有良好的控制性能。 6.探索了变频液压位置控制技术,建立了变频位置控制系统数学模型;进行
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TP242

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