基于旋量理论的变刚度柔顺机械臂建模方法研究

The compliant robotic arm with intrinsic compliance can ensure the safety of human, robot, and operated object during its cooperation with human. It enlightens the developing trend of future robotic arms. Variable stiffness actuators are the key points for developing compliant robots. The project focuses on modeling method and variable stiffness characteristics of the variable stiffness actuator and compliant robotic arm. Exploring the utilization of Screw Theory in the modeling of variable stiffness mechanisms, in order to be explicit about implementation of the mechanism, and to reveal the operating principle of the decoupling mechanism for variable stiffness. Adopting Screw Theory in the modeling of a compliant robotic arm, to adapt the robotic systematic design optimization method to the design of compliant robotic arm. To intensively study the characterizing method of the compliant joint stiffness, for the sake of building the mapping relations between the stiffness of the joint and end of the robot, to reveal the evaluation criterion of safeness and end compliance of the compliant robotic arm. To validate the effectiveness and applicability of the modeling method, through experiments on a co-simulation platform and compliant robot prototype. The study on the modeling method in the project builds the theoretic basis for illustrating the joint stiffness characteristics and the arm end compliance property.

具有内在柔性的机器臂与人类进行协同作业时能够保障人、机、物的安全，是未来机械臂的发展方向，而变刚度驱动器则是研发柔顺机械臂的关键。本项目针对变刚度驱动器与柔顺机械臂的建模方法和变刚度特性等内容，展开深入的研究。探索采用旋量理论进行变刚度机构建模的方法，明确变刚度机构的实现方式，揭示变刚度解耦机构的工作原理。利用旋量理论建立柔顺机械臂模型，探索机器人系统级优化设计方法在柔顺机械臂设计中的适用性。深入研究柔性关节刚度的表征方式，建立关节与机器人末端刚度映射定量关系，阐明柔顺机械臂安全性与末端柔性的评价标准。通过搭建联合仿真平台和柔顺机械臂样机实验平台，验证模型的有效性和实用性。本项目对建模方法的研究为阐明柔性关节刚度特性和机械臂末端柔性性能奠定了理论基础。

本项目研究的柔顺机械臂是一种采用柔性关节驱动，并具有刚性连杆联接的机器人手臂。相对于传统的刚性机械臂，柔顺机械臂在与人员或障碍物发生碰撞时能够迅速调节自身的刚度以降低对人体或机械臂自身的损害。本项目以柔性驱动器及柔性关节为研究对象，开展了柔顺机械臂的建模优化及柔顺控制研究。.本项目首先研究了可变刚度的串联弹性驱动器，基于模块化理论，针对本体机械结构、传动机构、电机选型、弹性器件、控制系统等进行系统一体化优化设计。对驱动器的刚度等性能进行了动力学分析，设计制作了变刚度驱动器样机，并进行实验测试。开展各种负载条件和运动情况下实验研究，研究了驱动器的动态响应性能和稳定性。研究驱动器柔顺性对其运动学性能的依赖关系，并实验其控制参数。项目搭建了联合仿真平台，并在该平台中对柔顺机械臂进行了控制参数优化。将驱动器的扭矩、弹性器件的弹性常数、尺寸参数等作为设计变量，以其运动学性能和动力学性能作为约束条件，将柔顺机械臂的能耗最优作为设计目标，优化了机械臂的构型参数，获得了最优配置。项目分析了研究柔顺机械臂运动轨迹规划方法。根据柔顺机械臂旋量理论动力学模型，研究其柔顺控制算法。研究了各关节刚度变化对机械臂末端轨迹的影响，建立末端位置随关节刚度变化的补偿机制，保证机械臂末端定位精度。.在本项目的资助下，项目负责人从副研究员转聘为副教授，协助培养博士研究生2名，硕士研究生5名。发表SCI/EI检索论文18篇，其中SCI检索期刊论文10篇，EI检索会议论文8篇。授权国家发明专利2项，申请受理发明专利5项。