基于磁流变液的刚度连续可控按摩头柔性结构设计方法与柔顺接触控制研究

The present achievements of massage robot could not satisfy the requirements in compliance contact control and complex environment adaptive control. The goals of this project are to propose a novel design of flexible structure of massage robot hand based on magnetorheological fluid (MRF) which is controllable and reversible in elasticity and viscosity, and to study the compliance contact control model and self-adaptive control model for complex massage environment. The influence factors of MRF stability will be analyzed to build successive adjustable rigid model and flexible surface contact model. With the adjustable rigid theory of flexible structure surface and relevant models, to design single/double flexible structure which could complete multiple massage operations. The task decomposition of complex massage control provides possibility for fuzzy impedance control of contact force and the design of self-adaptive controller. By manufacturing the prototype of flexible structure, the performance of load model, irregular surface adaption and complex environment adaption will be tested with optimization of magnetic circuit and flexible structure. One of the characteristics of this project is to propose a novel design of flexible structure which could provide multi-massage operation based on magnetorheological effect. Compared with humanoid hand, the proposed design makes the structure and control system simple. The other characteristic of this project is to improve the compliance contact ability and self-adaptive ability in complex environment of the proposed design with fuzzy impedance control strategy and complex environment self-adaptive control strategy.

针对机器人按摩头柔顺接触能力和多变量环境因素自适应能力不足的问题，本项目提出基于磁流变液的刚度连续可控机器人按摩头柔性结构设计方法，并研究其柔顺接触控制策略。通过分析磁流变液稳定性影响因素和调控机理，建立柔性结构表面刚度连续可控模型和柔性表面接触模型，完成基于磁流变液的多手法机器人按摩头单/双柔性结构设计；基于多变量环境因素分析模型将控制任务分解为两级子任务，构建柔顺接触模糊阻抗力控制模型和多变量环境因素的自适应控制模型；通过实验研究，验证本项目提出的柔性结构设计方法和控制策略的正确性，并提供优化数据。本项目的特色在于首次提出基于磁流变液的机器人按摩头柔性结构设计方法，具有简化结构和降低控制难度的优点；揭示刚度连续可控柔性按摩表面的作用机理，提高按摩头结构的柔顺接触能力和复杂按摩环境的自适应能力。

按摩机器人可以有效缓解医务人员不足的现状，有助于提高老年人和骨骼/肌肉疾病患者的生活质量，为满足社会需求起到积极作用。设计按摩机器人必须考虑舒适性、灵活性和安全性等要求，使其具备柔顺接触能力以提高按摩效果。.针对按摩机器人的柔顺接触方面的问题，提出了基于磁流变液的按摩机器结构设计方法，实现了刚度可连续变化的按摩头结构，同时简化了传统的柔顺控制方法，为基于磁流变液的按摩机器结构和控制系统的设计优化提供了一定的理论基础。在磁流变液的物理特性研究基础上，提出了在开放磁场下的磁流变液按摩力度模型，以该模型为基础分析了按摩头的柔顺接触控制策略。利用电磁仿真软件分析了工作磁场的使用需求，完成了磁流变液按摩头的整体结构设计。试制了基于磁流变液的按摩头样机，搭建了基于PID控制原理的位置控制系统，提出了基于误差梯度下降法的BP神经网络参数整定方法。按摩力度和位置控制的实验结果表明，所设计的按摩头系统能快速有效地改变按摩力度，稳定准确地跟踪目标表面的位置，满足设计要求。.为提高按摩过程中机器人与按摩对象之间的人机交互性能和柔顺接触能力，提出并设计了一种新型的用于机器人关节的变刚度柔性驱动器。该驱动器具有结构简单、易于控制、更宽的主动变刚度调节范围的特点，并且能够吸收振动或者冲击带来的能量，提高了机器人的关节输出能力。利用Matlab/Simulink软件拟合了磁流变液的本构关系，建立仿真模型，分析仿真结果，提出了磁流变柔性驱动器励磁电流与最大输出扭矩之间的关系。为实现柔性驱动器的变刚度特性，并且基于模块化的设计思想，提高其集成化，设计了柔性驱动器的控制系统。最后制作实验样机，搭建测试平台，测试结果表明，所设计的基于磁流变液的变刚度柔性驱动器满足设计要求，有效地实现了变刚度功能。.本项目提出模型、设计方法以及实验研究成果并不局限于本项目，可以将其推广至仿生手、灵巧手、柔性夹具等领域，具有广阔的应用价值。