【摘要】：傳統(tǒng)工業(yè)機器人安全性較差,需要護欄等諸多限制條件,且傳統(tǒng)工業(yè)機器人的決策與智能控制遠遠沒有達到預定的效果。協(xié)作機器人的出現(xiàn),將在很大程度上加快機器人的普及,同時為我們提供了一個讓機器人走入普通人生活的可能性,實現(xiàn)真正的人機協(xié)作。本文以協(xié)作機器人為研究對象,探索新型驅動原理,將無框直驅電機和具有一定柔性的諧波減速機進行高密度集成,研制出高功率密度比機電一體化關節(jié),并進行關節(jié)系列化和模塊化設計�；谶\動學與動力學理論,攻克協(xié)作機器人研究中零力矩控制與碰撞檢測技術難點,實現(xiàn)協(xié)作機器人拖動示教和碰撞檢測功能。根據(jù)零力矩控制算法建立具有包含靜摩擦、庫倫摩擦與黏滯摩擦力在內(nèi)的非線性動力學模型,提高機器人零力控制算法的精度,滿足外力引導下的拖動示教功能。針對碰撞檢測提出了兩種無力矩傳感器下的碰撞檢測方法。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點有以下幾個方面:1、高功率密度比模塊化關節(jié)及機器人系統(tǒng)設計:探索協(xié)作機器人的新構型設計方法,對機器人整體構型及六自由度配置進行優(yōu)化。采用基于數(shù)值優(yōu)化和有限元模擬相結合的多目標輕量化設計方法,對本體結構進行輕量化設計,設計高強度輕薄外殼。根據(jù)機器人最大負載及轉速要求,對本機器人兩種模塊化關節(jié)的電機及諧波減速機進行轉矩校驗。研究新型驅動原理,將無框直驅電機與具有一定柔性的諧波減速機進行高密度集成,研制出高功率密度比機電一體化關節(jié),并進行系列化和模塊化。設計的新型柔性制動機構,在簡化關節(jié)結構的同時更有利于散熱,為協(xié)作機器人關節(jié)結構設計提供新思路。2、新構型協(xié)作機器人正逆運動學解析法:機器人的正運動學和逆運動學的求解是聯(lián)系機械系統(tǒng)與運動控制系統(tǒng)的關鍵過程。為得到六自由度輕型協(xié)作機器人逆運動學閉合解,利用解析法求解機器人的全部8組逆解。該方法能夠有效確保證機器人運動學求解過程的實時性和準確性。最后,通過Matlab仿真驗證該解析法的準確性與有效性。同時,根據(jù)該協(xié)作機器人的正解,采用隨機概率-蒙特卡洛法得到機器人的可達操作空間。根據(jù)所設計的輕型協(xié)作機器人的構型及機器人逆解,分析該機器人的奇異位形,為運動控制過程中避奇異位置提供有力的理論支撐。3、基于力矩補償?shù)牧懔刂萍夹g:通過克服機器人自身重力和摩擦力,使機器人在外力牽引下只需克服較小的慣性力即可順應外力移動。采用基于最小二乘法的機器人參數(shù)辨識方法,通過低速動態(tài)平衡原理,對機器人轉矩靈敏度及摩擦力參數(shù)進行準確辨識。通過分別控制相同位置下不同速度及相同速度下不同位置的方式實現(xiàn)黏滯摩擦與庫倫摩擦力的辨識。在補償重力矩與靜摩擦力的基礎上增加黏滯摩擦與庫倫摩擦力的補償值,從而實現(xiàn)更加精確的力矩補償控制,使得機器人零力拖動示教更加精確,拖動過程更加順暢。4、無力傳感器下的碰撞檢測算法:針對無力傳感器下的碰撞檢測,提出一種基于廣義動量觀測器的碰撞檢測技術。在動力學模型的基礎上,引入廣義動量觀測器,無需計算及檢測加速度值,從而避免加速度信息不穩(wěn)定性對碰撞檢測的影響。同時在動力學模型中引入經(jīng)典摩擦力模型,提高整個動態(tài)模型的精度。根據(jù)碰撞要求設定合適的閾值rth,當殘差值超過閾值時則說明機器人與外界發(fā)生了碰撞。該碰撞檢測算法只需測量機器人關節(jié)編碼器的位置信息,可以在沒有任何力傳感器或加速度傳感器的情況下進行實時檢測。5、雙編碼器碰撞檢測方法:基于機器人特殊的關節(jié)設計,提出一種基于雙編碼器的碰撞檢測新方法。利用諧波減速機的等效柔性特征,通過雙編碼器的位置誤差檢測實現(xiàn)低成本檢測外力碰撞,使機器人能夠實現(xiàn)實時的碰撞檢測功能。同時提出三種碰撞后反應策略,振蕩模式、零力矩響應模式及被迫停止模式。根據(jù)實際需要,選擇不同的反應策略以實現(xiàn)不同的碰撞檢測效果。
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP242
【圖文】：

各個關節(jié)均配置了扭矩傳感器，使得關節(jié)柔性增大，同時使得機器人整體成本大逡逑幅增加，導致該機器人無法在工業(yè)自動化領域得到廣泛推廣。逡逑Ｇｏｍｔｅｃ在２０１４年推出了協(xié)作機器人ｒｏｂｅｒｔａ，如圖１．３所示。Ｒｏｂｅｒｔａ機器人采逡逑３逡逑

的安全性的目的，但是相應的成本也大幅提高。逡逑Ｓａｍｉ邋Ｈａｄｄａｄｉｎ于２０１６年在德國慕尼黑創(chuàng)建了ＦｒａｎｋａＥｍｉｋａ公司［１６］。Ｓａｍｉ在逡逑ｉｉｗａ的研宄基礎上推出了更具競爭優(yōu)勢的Ｆｒａｎｋａ機器人，如圖１．４所示。該機器人逡逑具有７個自由度，機器人自重１８．５Ｋｇ，有效負載３Ｋｇ，工作半徑８５５ｍｍ，重復精逡逑度±０．１邋ｍｍ。７個關節(jié)均裝有力矩傳感器，能夠感知外部碰撞力，具有碰撞響應逡逑靈敏，碰撞保護后通過輕觸能夠重新進入預定軌跡的優(yōu)點。低價、智能、編程簡逡逑單也使得該機器人成為了協(xié)作機器人焦點。但是該機器人同樣采用力矩傳感器檢逡逑測外力，使得機器人硬件成本較高，同時機器人負載能力本體結構剛性較弱。逡逑＼邋ｍｗ逡逑圖１．邋３邋Ｇｏｍｔｅｃ的單臂機器人ｒｏｂｅｒｔａ［１５］邋圖丨？邋４邋Ｆｒａｎｋａ邋Ｅｍｉｋａ公司的Ｆｒａｎｋａ機器人［１６］逡逑２０１５年ＫＮＯＶＩＡ公司針對殘疾人輔助行業(yè)，推出了一款６自由度協(xié)作機器人逡逑ＪＡＣＯ［１７］。機械臂連桿由碳纖維材料制成，自重５．３Ｋｇ，有效負載１．３Ｋｇ，工作逡逑半徑９００ｍｍ，其在末端配有３指手爪，便于抓取物體。機械臂的模塊化配置及驅逡逑動器的低后坐力使其能夠很好地幫助病人完成一些特定動作

逡逑圖１．５協(xié)作機器人ＪＡＣＯ逡逑１．３．２國內(nèi)協(xié)作機器人逡逑國內(nèi)協(xié)作機器人的研宄隨著巨大需求的提出，許多研發(fā)機構、高校及機器人逡逑公司相繼進入?yún)f(xié)作機器人開發(fā)的領域，推出了多款比較有特色的協(xié)作機器人產(chǎn)品逡逑或樣機。逡逑大族電機推出的６自由度協(xié)作機器人Ｅｌｆｉｎ［１９］，如圖１．邋６所示。Ｅｌｆｉｎ５系列機逡逑器人自重２３Ｋｇ，有效負載５Ｋｇ，工作半徑８００ｍｍ，重復精度能夠達到±０．０３ｍｍ。邐／逡逑機器人關節(jié)的中空無框力矩電機由大族自主研發(fā)，能夠滿足機器人關節(jié)的中空走逡逑線模塊化設計，具有大扭矩，高可靠性等優(yōu)點，但是相對于該有效負載，機器人逡逑自重稍大。逡逑＾邐Ａ逡逑廣一？邐７逡逑＆：＇ｎ逡逑圖１．６大族電機開發(fā)的Ｅｌｆｉｎ［１９］邐圖１．邋７新松７自由度協(xié)作機器人［２０］逡逑新松機器人推出的冗余自由度（７自由度）協(xié)作機器人ＳＣＲ５，機器人本體自逡逑重３３．８Ｋｇ

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本文編號：2799918