【摘 要】
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随着科学技术的快速发展,机器人越来越多的应用在生活服务、医疗辅助等人机交互需求高的领域。现有的协作机器人多采用串联刚性结构,与人的共融性较差,这在一定程度上限制了机器人的应用场景。本文基于人体手臂肌肉驱动的仿生学机理,设计了6自由度串并混联柔顺机械臂SoftArm-6,提出了运动控制算法,并完成了轨迹跟随、物体抓取、人体示教等验证实验。主要研究内容如下:首先,设计并搭建了6自由度串并混联柔顺机械臂
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随着科学技术的快速发展,机器人越来越多的应用在生活服务、医疗辅助等人机交互需求高的领域。现有的协作机器人多采用串联刚性结构,与人的共融性较差,这在一定程度上限制了机器人的应用场景。本文基于人体手臂肌肉驱动的仿生学机理,设计了6自由度串并混联柔顺机械臂SoftArm-6,提出了运动控制算法,并完成了轨迹跟随、物体抓取、人体示教等验证实验。主要研究内容如下:首先,设计并搭建了6自由度串并混联柔顺机械臂SoftArm-6,由臂部3个串联自由度和腕部3个并联自由度组成,采用电机串联SEA构成柔性驱动关节。建立了机械臂的运动学模型,基于机构等效原理实现了串并混联机械臂的位姿解耦,推导了SoftArm-6的运动学正逆解,速度雅可比矩阵,并求解了有效工作空间。其次,研究了SoftArm-6的运动控制方法。提出了串并混联机械臂的工作空间轨迹规划方法,设计了三次多项式和五次多项式变形相结合的关节空间实时插补算法,研究了基于Kinect人体运动捕捉的在线轨迹示教方法。针对驱动关节中SEA柔性环节带来的位置精度降低、易抖动等问题,设计了基于虚位移原理的前馈重力补偿算法,应用Adams软件对串并混联柔顺机械臂进行动力学仿真,证明了该算法可以消除重力对关节位置精度的影响。随后,设计并搭建了SoftArm-6的控制系统。控制系统包括上位机的轨迹规划与状态监控模块,以及下位机的位置伺服模块,完成了控制系统的硬件选型,上位机采用工控机,下位机采用stm32单片机并搭载实时操作系统Free RTOS,完成了系统软件编程和实验平台搭建。最后,设计了点到点定位、直线轨迹跟随、重力补偿、抓取操作等实验,验证了SoftArm-6的位姿控制性能。设计了基于人体运动捕捉的在线示教实验,验证了SoftArm-6对人体运动的跟随性和在线示教方法的有效性。
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