模块化绳驱动变刚度机器人臂关键技术研究

To improve motion compliance and safety of robotic manipulators, this project will be focused on the study of the design and control methodologies for a class of novel modular, cable-driven, and variable-stiffness manipulators. By integrating the type-synthesis theory of parallel mechanisms and structural topology optimization method, innovative designs for variable-stiffness devices can be created through topological evaluation of flexure-based parallel mechanisms. Based on kinematics, dynamics and stiffness analyses, a design optimization method will be developed to generate novel cable-driven variable-stiffness joint modules with different degrees of freedom. In order to realize stiffness control for both cable-driven joint modules and manipulators, a stiffness-oriented tension resolution algorithm will be developed. On top of the cable-driven variable-stiffness joint modules, a task-oriented design methodology will be proposed for cable-driven variable-stiffness manipulators.It is belived that modular, cable-driven, light-weight, variable-stiffness and intrinsically-safe manipulators will be widely implemented for not only service robots, but also various industrial applications. It is also expected that the research results obtained from this project will advance the technology level of service robots of China.

本项目以提高机器人臂运动的柔顺性和安全性为目的，重点研究新型模块化变刚度绳驱动机器人臂的设计理论和控制方法。通过融合并联机构的型综合理论和结构拓扑优化方法，创新设计一类基于柔性并联机构的变刚度装置；分析与研究具有变刚度特性的绳驱动关节模块的运动学、动力学及刚度特性，提出绳驱动变刚度关节模块的构型优化设计方法，创新设计几种具有不同自由度数的绳驱动变刚度关节模块；研究面向刚度控制的绳索张力的最优分配算法，实现绳驱动关节模块及绳驱动机器人臂的变刚度控制；以绳驱动变刚度关节模块为基本单元，提出面向任务的绳驱动变刚度机器人臂的构型优化设计方法。可以预见，轻量化、模块化、变刚度、本质安全的绳驱动机器人臂将具有广阔的应用前景，它不仅适用于各类服务机器人，也适用于各种工业应用场合。

本项目以提高机器人柔顺性和安全性为目的，重点研究了新型绳驱动变刚度关节模块及操作臂的设计理论和控制方法，突破了模块化变刚度绳驱动机器人的多项关键技术。通过融合并联机构的型综合和结构拓扑优化方法设计了4种不同类型的变刚度装置，其中基于柔性并联机构的变刚度装置具有结构紧凑、刚度调整范围大、刚度-位移曲线线性度高等特点，特别适用于绳驱动关节模块的刚度控制；应用凸分析理论，提出了基于最小正张成基的绳驱动机器人关节模块张力封闭性分析方法和力封闭性工作空间分析方法，基于李群、李代数理论建立了关节模块运动学及动力学模型及性能分析模型，实现了1-，2-，3-自由度变刚度绳驱动关节模块的优化设计及样机研制；提出了面向绳驱动关节刚度的张力分配算法及刚度测量方法，并通过对驱动绳索实施分组控制，创新提出了绳驱动关节模块的刚度-位置同步控制方法，实现了关节模块刚度和位置的同步控制；成功研发了多自由度模块化绳驱动机器人臂系统，提出了不依赖于绳驱动机器人臂整体构型的模块化运动学和动力学分析方法，可实现模块化绳驱动机器人臂的自动建模；建立了绳驱动机器人臂的刚度分析和分配方法，提出了基于阻抗控制原理的绳驱动机器人臂柔顺运动控制方法，实现了系统的变刚度控制；提出了模块化绳驱动机器人臂的自标定方法，有效的提高了系统的定位精度；针对模块化绳驱动机器人驱动绳索个数多，驱动效率低的问题，创新设计出了两种减少驱动绳索个数绳索连接方案，实现了驱动绳索最少化设计；实验结果表明，本项目所研发多自由度模块化绳驱动变刚度机器人臂定位精度为±2.5mm，末端刚度的调节范围为200-400N/m。基于本项目的研究工作，共发表高水平科研论文13篇，申报发明专利3项。总之，本项目的研究成果不仅丰富了绳驱动变刚度机器人臂的设计理论与控制方法，也为绳驱动机器人应用开发奠定了坚实的基础。