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轻型机械臂柔性关节设计与实验研究

夏严峰  
【摘要】:目前,柔性关节由于具有高的负载/自重比、低功耗等优点,被广泛应用于空间、战场以及家庭等工作位置随任务而变以及有辐射等危险工作场合。而SEA作为低输出阻抗的力输出驱动装置,可以大幅增加关节的柔性,并且可以更好地承受冲击力。本文从柔性关节更广泛的应用前景出发,研制了基于SEA的柔性关节,展开以下几方面工作。 本文研制了柔性关节机械系统、驱动系统、传感器系统。介绍了传动系统的设计,并详细讲述了SEA的优化设计过程。通过Workbench DOE试验设计法,分别对SEA常用的几种形状进行优化设计,最终确定其三维模型。同时对SEA进行刚度分析,通过其柔性转角-负载转矩、负载转矩-刚度的关系,分别得出SEA定刚度模型与变刚度模型。设计传感器系统,选择关节位置传感器,设计关节力矩传感器并对其进行了仿真分析、刚度分析。 分别通过SEA定刚度模型与变刚度模型建立相应的柔性关节动力学模型。首先通过对柔性关节进行相应的简化,采用Spong学者的假设,将SEA简化为定刚度的无阻尼线性扭簧建立定刚度关节动力学模型。然后基于SEA变刚度模型,将SEA简化为刚度可变的无阻尼扭簧,建立变刚度柔性关节动力学模型。为了简化控制模型,采用SEA定刚度模型,为克服柔性关节非线性因素的影响,提出柔性关节的内位置环的力反馈闭环控制,并分别建立控制模型中位置环与力环的开环传递函数与闭环传递函数。 进行柔性关节性能实验,主要进行柔性关节刚度分析实验、力矩传感器标定实验和关节负载跟随实验。建立柔性关节的实验平台,通过柔性关节刚度分析实验,比较与设计理论值之间的误差,并分析其原因主要是由于SEA经过热处理后不能达到设计要求。对力矩传感器进行标定实验,进行迟滞分析和线性度分析,校核力矩传感器设计指标。开展柔性关节的负载跟随实验,分别进行位置跟随实验、转矩跟随实验,发现柔性关节跟随效果较好。


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