【摘 要】
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变刚度关节一直以来都是柔性机器人研究领域的热点。传统的刚性机器人为了保证工作时的加工质量以及工作效率,通常具有高刚性、高速性,因此缺乏灵活性、安全性。在机器人关节中装入变刚度模块,不仅能够增强机器人与人协作过程中的安全性,还能提高机器人与周围工作环境的适应性。现在关节变刚度的实现方式主要分为改进机械结构以及优化控制方法两大类。前者变刚度关节结构复杂、刚度调节响应速度慢、成本高。后者往往受限于控制系
【基金项目】
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国家自然科学基金（52005344）“节能型拮抗式机器人永磁变刚度关节关键技术研究”；
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变刚度关节一直以来都是柔性机器人研究领域的热点。传统的刚性机器人为了保证工作时的加工质量以及工作效率,通常具有高刚性、高速性,因此缺乏灵活性、安全性。在机器人关节中装入变刚度模块,不仅能够增强机器人与人协作过程中的安全性,还能提高机器人与周围工作环境的适应性。现在关节变刚度的实现方式主要分为改进机械结构以及优化控制方法两大类。前者变刚度关节结构复杂、刚度调节响应速度慢、成本高。后者往往受限于控制系统带宽,硬件条件的影响等,系统稳定性较弱。综上所述,目前变刚度机器人关节在结构创新设计、刚度调节原理开发以及优化控制方法等方面仍面临许多问题需要解决。针对上述问题,本文提出了一种基于HEM（Hybrid Electromagnet）的变刚度机器人关节。由于磁铁间无接触、无摩擦的优点,其刚度调节响应速度十分迅速、关节结构非常的简洁和紧凑。除此之外,设计的控制系统保证了关节在运动过程中轨迹跟踪的准确性。完成的主要工作有:（1）比较分析现有变刚度关节的优缺点,确定本文所提出关节的变刚度原理。通过这一过程论证了本课题提出的创新性及其意义;（2）对变刚度关节进行整体结构的设计与分析。主要包括混合磁通调整机构中永磁铁以及励磁线圈形状与尺寸的确定。利用Solidworks软件对变刚度关节的整体结构进行三维建模。利用ANSYS仿真软件对变刚度关节关键零部件进行受力分析。利用Ansoft电磁仿真软件建立混合磁通调整机构的模型,确定机构中永磁铁的数量、充磁方向、永磁铁与励磁线圈的相对位置以及验证混合磁通调整机构的力学特性;（3）建立变刚度机器人关节的刚度模型,以此为基础搭建了变刚度关节的动力学模型和控制器。基于MATLAB-Simulink,构建了PD位置控制器,提高了关节位置控制准确性。加工了变刚度关节样机,搭建了实验平台,并通过实验证明本文设计的变刚度关节具有较快的刚度调整能力。关节的轨迹跟踪误差随关节刚度的增加而减小等。
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