自上世纪八十年代以来,在很多相关科研机构以及学科的发展的推动下,机器人学有了飞速的进步,并出现了很多令人惊叹的应用成果及演示效果。然而,无论是对已有机器人进行改进还是设计新型机器人,一个可靠的,高安全性的机器人都不得不考虑到人机交互的问题,机器人与环境交互的问题。这种感知灵敏的机器人已经进入科学家的视野,一些成功的交互型机器人已经具有非常强的感知环境和外部力的能力,允许作业人员和机器人共用空间,达到人机共融效果,然而这类机器人大多价格昂贵,应用空间受到了极大的限制。因此,本课题的最初想法是在现有机器人的基础上,通过改进其机构设计以及控制方法,以达到人机交互的柔顺性要求又不增加过多成本的目的。事实上,存在多种方法实现这一目的,例如在关节处增加力矩传感器,增加电流反馈以及在机器人本体上增加压力传感器等。本文在这一思路的基础上设计了一种关节上的柔顺机构,并利用旋转角度传感器检测柔顺机构的变形量,利用控制算法以实现机器人的感知功能及柔顺驱动功能。在这一思路中,显然基于可变电阻的旋转角度传感器的价格要比力矩传感器便宜,同时也比表面触觉传感器便宜,同时信噪比比电流作为反馈信号的信噪比更高,因此是柔顺机器人设计的首选方案,并有望实现未来机器人家庭化。本文根据以上研究背景及构思,主要分为如下6个章内容。第一章给出了研究背景以及研究意义;第二章则给出了该领域的相关研究现状,分别讨论了被动柔顺机器人以及主动柔顺机器人的研究现状和特性对比;第三章是关于机器人的基本组成以及控制算法的讨论分析;第四章给出了桌面级柔顺机械臂的机械结构设计以及分析;第五章为验证前述方法给出了仿真验证;第六章给出了样机的制作以及最终的实验结果。机器人发展的序幕始于1954年,George研制了第一台可编程机器人。第一台投入使用的工业用的机器人由美国通用公司从美国万能自动化公司购买,开启了产业机器人时代。到八十年代,随着PUMA,SCARA,等不同构型的机器人的问世,机器人进入了发展的快车道。在此过程中,工程师和科学家们对机器人进行了大致的分类。第一代机器人具有机构简单,运动精度高,速度高,但无感知能力的特点。第二代机器人具有一定的机械智能和感知能力。第三代机器人具有较高的智能水平,具有自主操作能力,外形也多样化,向宏观大尺度及微观小尺度方向发展;第四代机器人具有自我复制甚至进化能力。从机器人产业规模数据统计分析来看,自1984年到2000年,北美工业机器人的销售量在稳步增长,而从1995年到2004年期间,日本成为装配产业机器人最多的国家,超过4.3万台。欧洲仅次于日本,工业机器人保有量达2万台。与此同时,伴随着产业机器人的兴起和发展,产业工人劳动力成本也随之发生变化。产业工人的人工成本从1990年到2000年也稳步增长,机器人的价格则持续下降。国际机器人联合会统计了2007年至2017年全球工业机器人年交易量第一位亚洲区,第二为欧洲,第三为美国。除了工业外,其他行业也逐渐出现机器人身影。国际机器人联合会统计了服务机器人市场,统计结果表明服务机器人45%的份额用于国防,25%用于农业,9%用于物流行业,6%用于医疗,其他行业占比为15%。此外,本章还简单提及了具有感知功能的机器人的研发现状,包括世界机器人巨头德国库卡机器人公司的KUKA LBR iiwa,售价为20万美元,已经倒闭的Rethink公司的Baxter机器人,售价2.2万美元,Barrett WAM机器人以及ABB公司的双臂协作机器人等。上述交互型机器人的详细介绍在第二章给出。同时,系统地分析了机器人柔顺性的分类与特征。其主要分为被动柔顺以及主动柔顺。主动柔顺通常采用力矩传感器,触觉传感器以及霍尔传感器等主动检测交互力,通过导纳控制实现;被动柔顺关节则利用关节本身机械柔顺性,通过位移传感器和角度传感器,通过计算获得关节力矩信息,通过阻抗控制实现。如Amir Jafari等人开发的可变刚度驱动器中的输出力和刚度之间的耦合包括使用从可变刚度驱动器(VSA)中提取的能量流信息实现驱动器刚度调整。但由于有时刚度可能会受到外部环境的影响,而外部环境是无法控制的,因此作者试图分析不同VSA的外部载荷与其产生的输出刚度之间的相关性。在分析中,考虑了不同类型的非线性弹簧,研究了不同类型的变刚度执行。另一种可变刚度驱动器采用拮抗形式,其主要包括单向拮抗和双向拮抗两种。单向拮抗采用单根弹簧只承受单向拉力。双向拮抗机构采用双弹簧提供驱动器双向拉力,类似于人体关节运动仿生学原理,同时双向弹簧的张紧与松弛可以调节输出刚度,另外,双向拮抗对抵抗外部干扰也具有一定作用。意大利理工学院Nikos G.Tsagarakis提出了一种基于可变支点悬臂梁机构实现柔顺驱动器刚度调节。在主动柔顺研究方面,Edward等人提出了全臂感知机器人,即采用了阵列式触觉皮肤传感器,通过反射光检测碰撞的发生。这种方式的造价比电流检测的方式更高。此外,这种传感器容易受外部环境温度影响,所以在误差补偿以及使用寿命方面都存在短板。在相关研究梳理完毕之后,第三章内容给出了机械臂基本结构组成以及本文采用的控制方法。控制器也可以看做机器人的“大脑”,通过软硬件的结合实现机器人关节的力矩输出,从而实现对机器人的运动控制。此外,随着计算功能的不断强大和网络技术的发展,目前机器人控制器大都具备通讯功能,数据采集能力以及复杂算法计算能力。驱动器可以被看作是运动的生成部件,目前大多以电磁驱动技术为原理的电机作为驱动器,也有一些机器人采用液压驱动器以及气动驱动器,极少数机器人采用功能材料作为驱动器。常见的电机有直流电机和交流电机。直流电机控制方便,便于携带电源,主要分为有刷直流电机,无刷直流电机以及步进电机。具有反馈控制的直流电机又称为直流伺服电机。由于直流伺服电机使用方便,本研究采用直流伺服电机作为关节驱动器。对于传统刚性机器人而言,采用伺服电机作为驱动器便可以实现其运动控制,然而对于基于被动柔顺的机器人关节而言,仍然需要检测关节柔顺结构件的变形量,因此需要旋转角度传感器。通过综合考虑旋转角度传感器的性能,价格及安装尺寸等问题,我们选用RDCC010002电阻式角度传感器作为柔顺结构变形量的检测元件。在控制方面,尽管随着自动控制原理及技术的不断进步,层出不穷的新控制理论和算法不断涌现,但基于复杂数学推演得到的控制算法并未被证明其足够的可靠性,同时,也增加了实现难度。工程上目前主流的方法仍然采用的PID算法,即通过对反馈信号的比例放大,微分处理以及积分等手段获得输出信号与理论信号的偏差快速缩小。为确保试验的安全性和可靠性,首先利用仿真算法对控制系统的响应完成仿真。首先研究控制系统的开环方程,通过对极点在复平面中的位置判断其控制特性,包括响应速度以及稳定性。以设定阶跃响应超调量不超过3%以及稳定时间不超过3ms为目标条件,计算开环传递函数的阻尼比,系统的积分时间常数,讨论分析系统固有频率以及其他参数,进而计算出满足控制系统的PID参数,通过仿真对其结果进行验证。在机器人设计方面,主要采用了串联型机器人构型,前3个转动关节实现机器人末端在三维空间运动,第4个关节用于操作抓持,因此一共为4个自由度。本文基于DH方法分析了4自由度串联型机器人运动学正逆解。分别讨论了各关节运动角度与机器人末端位姿之间的映射关系,即可以通过直流伺服电机的控制数据获得末端的位姿,完成运动仿真。在此基础上,进一步计算逆向运动学,获得末端运动位姿和机器人各关节转角之间的映射关系,即给定末端位姿,反求机器人各关节角度,用于给定路径下的机器人控制实现。针对柔顺机构的设计方法,许多研究者已经给出了多种解决方案,主要分为两类,第一类为整体式,第二类为接触式。整体式柔顺机构的设计方法主要有拓扑优化方法以及模型法。为实现紧凑高效的柔顺机构设计,本文采用内了4支链曲梁构成柔顺机构的主要功能实现结构,分别研究了基于合成树脂以及橡胶两种材料的柔顺机构性能评价和测试。首先研究曲梁的变形与能量,采用Castigliano定理建立其变形方程。该理论建立在应变能基础上,即导致弹性材料或结构的形变的能量。本研究假设柔顺机构固联在机器人关节上,而负载悬挂于机械臂末端。负载力将使得机器人关节处产生一个扭转力矩以及两个力,轴向力以及横向力。根据Castigliano定理可知柔顺梁变形是由上述三个力产生的。为验证理论的结果,采用ANSYS软件进行了准静态下的受力仿真,获得其转动角度与扭转力矩之间的关系。仿真结果表明,所设计的曲梁结构具有较好的线性刚度关系,同时橡胶材料的刚度明显小于合成树脂材料的刚度。由于结构尺寸稍大,所以对于本课题所设计的桌面式柔顺机械臂而言,合成树脂的柔顺机构可看作是刚性的,并且后期的交互式试验中也是利用橡胶材料的柔顺机构作为柔顺机械臂完成的,而对比刚性试验则通过合成树脂材料的柔顺机构完成的。本课题旨在设计一种刚度适中,成本低廉的柔顺机构,并不把复杂柔顺机构的精准理论模型作为研究点。在试验平台搭建方面,采用伺服电机作为关节驱动器,并且在柔顺机构的内圈和外圈之间连接高精度旋转传感器,能够精准检测柔顺机构在外力下的变形情况。控制系统采用价格低廉、简单实用的Arduino Mega 2560板卡,其具有足够的数字输入输出端口以及传感器信息采集通道,可以容易控制关节伺服电机以及采集和处理各关节的柔顺机构形变的数据。机器人共有4个自由度,其中前三个自由度同传统串联位置姿态解耦型工业机械臂的构型类似,可以实现三维空间内的位置到达。此外,末端装有一个基于平行四边形机构的夹持器,用于执行各种抓持任务。机器人的主体结构主要采用3D打印材料,以实现其轻量化及降低成本。该样机具有两种工作模式,即位置控制模式以及力矩控制模式。位置控制模式同传统机械臂的控制方式类似,通过轨迹规划结合运动学参数可以实现机械臂在给定轨迹上的运动控制,该种方式不作为本课题的研究主要内容。力矩控制体现了交互性,能够实现人机共融下操作的安全性,具有很好的学术以及应用价值,是本研究的主要内容。各关节采用了具有内外圈以及柔性曲梁的柔顺扭转机构,同时采用高精度转动传感器检测柔顺机构内外圈的相对转动。根据前面所述,扭转柔顺机构具有一定的刚度特性,其形变量与加载力矩成一定比例关系,因此通过柔顺机构形变的检测,便可获得关节力矩的大小,从而将位置控制转变为力矩控制。本课题即在此思想基础上,开展交互力控制研究。其实对于交互性机器人的力控性能最高指标为零力控制,即随动控制。首先建立位置闭环反馈系统,其中为实现零力跟随,期望关节的力矩为零,也就是柔顺机构没有形变,即传感器检测信号为零。但由于实际操作中,不可能实现理想的柔顺机构无变形效果,将期望数据与反馈数据作差,经过一定的PID参数调节获得最佳的控制效果。根据静力学以及虚功原理,机器人末端的输入力和机器人各关节的扭矩具有一定映射关系,在此基础上本项目建立了基于P控制的位置闭环反馈控制系统,分别讨论了手动施加较小力以及较大力的情况。从实验结果中可以看出较小力的跟随效果更好,而较大力的随动效果偶尔出现震颤,这是由于伺服电机的响应速度不足,整体机械臂结构及装配刚度也存在一定问题导致,其可以通过改善机器人刚度结构以及替换为高频电机来解决。最后,为验证本思路的可行性以及控制系统的性能,将橡胶柔顺机构替换成合成树脂柔顺机构材料,虽然理论上合成树脂材料也具有一定的柔顺性,但对于小负载桌面级机器人而言,其刚度是非常大的,因此在试验过程中得到的扭转位置始终为0,其刚度已经超过了部分结构的装配刚度,因此无法获得电机驱动机器人与外部力随动的效果。综上所述,本研究针对目前共融型机器人大多面向工业现场,大型重载等场合,缺乏小型化设计的问题,提出了桌面级柔顺机械臂的设计思路,可以在人们日常生活中帮助人们完成一定的工作,以及在实验室等特殊的工作环境下发挥作用,在娱乐教育方面也具有用武之地。在设计环节实现了基于柔顺曲梁的柔顺机构的设计与分析,建立了基于关节转动角度偏差的闭环控制系统,并给出了面向小负载和大负载的试验效果;采用了对比试验方法,验证了在缺乏柔顺形变检测情况下的随动试验难以实现。将来的研究计划将进一步优化柔顺机构尺度设计以及研究样机系统的高精密设计方法。