变物理阻尼柔顺关节机构设计与驱动控制研究

The introduction of elastic elements to robotic joints improves their compliance, adaptability and safety, which is important to the implementation of human-friendly robots. However, the inherent compliance in such systems reduces the dynamic performance and controllability. Unlike the conventional compliant joints using variable stiffness mechanisms, this project proposes the design and control principles for a compliant joints with variable physical damping. The dynamic equations of the joint, considering the existence of the elasticity, physical damping and friction, will be formulated. The influence of the joint damping on the output impedance of a robotic system with multiple degrees of freedom will be investigated. An energy optimization method will be developed to store and release the elastic potential of the joint. And the safety criteria of the compliant joint with variable physical damping will be studied. Finally, a robotic prototype for human-robot interaction test will be established to evaluate the presented theories and methods. The project will provide design principles for the creation and integration of future variable-impedance robots to achieve comprehensive performance in terms of compliance，controllability and dynamics.

通过引入弹性元件使机器人关节获得更好的柔顺性、适应性和安全性，以满足人机共融需求，是当前机器人的重要发展方向之一。但是弹性元件也导致关节动态性能与可控性的下降。本项目打破传统柔顺驱动器通过变刚度控制输出阻抗的思路，提出物理阻尼可调的机器人柔顺关节设计理论和方法，结合机构运动学与动力学原理，建立包含弹性、阻尼和摩擦等环节在内的单自由度及多自由度柔顺关节动态方程，研究关节阻尼对多自由度系统末端输出阻抗的影响规律，提出利用变阻尼机构锁存和释放关节能量的控制策略，探索变阻尼关节系统安全性能评价指标。最后，基于所设计的变阻尼柔顺关节，搭建人机交互机器人系统，验证所提出的理论和方法。本项目研究成果将解决机器人关节柔顺性、可控性及系统动态性能之间的矛盾，为刚柔相济机器人的创新发展奠定理论基础。

通过引入弹性元件使机器人关节获得更好的柔顺性、适应性和安全性，以满足人机共融需求，是当前机器人的重要发展方向之一。但是弹性元件也导致关节动态性能与可控性的下降。本项目打破了传统柔顺驱动器通过变刚度控制输出阻抗的思路，提出了基于流体节流效应的变物理阻尼柔顺关节设计理论和方法，利用状态空间法建立了包含弹性、阻尼和摩擦等环节在内的单自由度及多自由度柔顺关节动态方程。研究了关节阻尼对多自由度系统末端输出阻抗的影响规律，提出了利用变阻尼机构锁存和释放关节能量的控制策略，探索了变物理阻尼对柔顺关节的力矩输出安全作用。最后，基于所设计变阻尼柔顺关节，搭建人机交互机器人系统，验证了所提出的理论和方法。本项目研究成果解决了机器人关节柔顺性、可控性及系统动态性能间矛盾，为刚柔相济机器人的创新发展奠定了理论基础。项目执行期间累计发表论文11篇，其中包含SCI检索5篇，EI检索5篇，中文核心1篇，已授权发明专利1项，在申请发明专利2项，已培养硕士生2名。