（机械设计及理论专业论文）欠驱动力合作机器人的驱动及控制技术研究.pdf

欠驱动力合作机器人的驱动及控制技术研究 摘要 合作机器人( c o l l a b o r a t i v er o b o t 简称c o b o t ) 是一种与人在同一作业空间 内直接进行物理合作的新型机器人。它继承了传统工业机器人的作业精度 高、承载能力强的特点，同时发挥了操作者的智能、视觉、触觉和灵活性等 特长，使机器人与操作者在同一作业空间内合作成为可能。不仅降低了劳动 强度，而且提高了作业水平和生产效率。c o b o t 的突出特点是以被动约束方 式工作，其关节电动机的运动不会使关节产生运动，只改变关节之间的转速 比，来对机器人末端的轨迹进行控制。操作者提供了c o b o t 末端运动的力， c o b o t 的控制系统对其末端轨迹迸行约束控制。c o b o t 在智能助力作业设备、 医疗中的外科手术、虚拟现实、遥操作中的临场感技术以及日常生活等方面 具有广泛的应用前景。 论文的研究课题来源于国家自然科学基金项目“被动式与人合作机器人 f c o b o o 的关键技术研究”。主要研究在欠驱动力条件下c o b o t 的驱动控制技 术，为新型合作机器人产品的研制和工程化提供理论依据。主要内容包括欠 驱动力合作机器人的动力学特性、虚拟轨迹控制策略、微操作力提升系统的 控制策略等，开发研制了实验样机，并基于d s p a c e 半物理仿真平台对该合 作机器人进行了实验研究。 论文在综述了国内外合作机器人技术的研究发展状况，比较了国内外现 有合作机器人的机构特点、工作原理基础上，提出了欠驱动力合作机器人的 概念，阐述了其关节机构特点和工作原理。 根据合作机器人的特点，提出了基于操作力的轨迹规划方法。根据c o b o t 末端当前位置、操作力和期望轨迹，利用微分几何原理建立了c o b o t 的虚拟 轨迹控制模型，推导了期望轨迹为直线和圆弧时的轨迹规划模型。建立了 c o b o t 轨迹控制的s i m u l i n k 模型和s i m m e c h a n i c s 模型，对c o b o t 跟踪直线和 圆弧轨迹进行了仿真研究。 设计了基于双单向超越离合器的关节约束传动机构。建立了超越离合器 的数学模型和基于双超越离合器的关节机构数学模型，对关节特性进行了仿 真分析。应用拉格朗日功能平衡法和牛顿一欧拉法( 闭环矢量法) 建立了c o b o t 的动力学方程，并基于s i m u l i n k ，m a t l a b 函数和s i m m e c h a n i c s 建立了三 哈尔滨工程大学博士学位论文 种动力学仿真模型，对c o b o t 在不同操作力作用下跟踪期望轨迹进行了仿真 研究。 根据合作机器人提升系统的组成和工作原理，提出了顺应操作者特性的 阻抗控制策略。建立了微操作力提升系统的数学模型，利用m a t l a b 系统 设计工具s i s o t o o l 对提升系统进行了校正设计，得到了满足系统性能指标的 校正器。建立了提升系统阻抗控制策略的仿真模型，对该控制策略进行了仿 真分析。 根据c o b o t 的工作原理和控制特点，确定了欠驱动力c o b o l 的总体控制 方案，详细阐述了上位机d s p a c e 仿真系统的特点和功能，以及下位机关节 控制系统和提升控制系统的硬件结构。绘制了c o b o t 原理样机构成框图，阐 述了c o b o l 的工作原理。给出了c o b o l 实验样机的照片、关节约束机构照片， 以及微操作力提升系统的照片等。 基于d s p a c e 半物理仿真平台对c o b o t 进行了实验研究，主要包括e o b o t 末端力传感器的标定实验，非约束状态下c o b o l 的动力学特性实验，关节机 构控制实验，欠驱动力c o b o t 控制实验和c o b o t 提升系统的控制实验等。实 验研究验证了c o b o t 关节机构的助动约束特性，c o b o t 虚拟轨迹控制策略的可 行性，以及c o b o t 提升系统控制策略的可行性。实验结果表明：该c o b o t 样 机在水平面内能够跟踪期望轨迹，且跟踪精度较好；c o b o t 提升系统能够顺 应操作者的特性，使操作轻便、省力。因此，该实验样机满足设计要求。 关键词：欠驱动力；合作机器人；虚拟轨迹；控制策略；微操作力 欠驱动力合作机器人的驱动及控制技术研究 a b s t r a c t c o b o t s ( c o l l a b o r a t i v er o b o t s ，f o rs h o r tc o b o t s ) a r eak i n do fr o b o t si n t e n d e d f o rd i r e c tp h y s i c a lc o l l a b o r a t i o nw i t hah u m a ni nas h a r e dw o r k s p a c e t h e yt a k e t h ea d v a n t a g e so ft r a n d i t i o n a lr o b o t ss u c ha sh i g h e rt a s kp r e c i s i o n ，b e t t e rb e a r i n g l o a d sc a p a c i t y , a n dm e a n t i m es t i l la p p l yt h es u p e r i o r i t i e so ft h eo p e r a t o rs u c ha s k g hi n t e l l i g e n c e ，v i s i o na n dh a p t i cc a p a c i t i e s ，a n dd e x t e r i t ya n ds oo n c o b o t s m a k e si tp o s s i b l ef o rah u m a no p e r a t o rt oc o l l a b o r a t ew i t hr o b o t si nas h a r e d w o r k s p a c e t h e yc a nr e l i e v eo ft a s ki n t e n s i t y , i m p r o v et a s kp r e c i s i o na n d p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h em a r k e d l yf e a t u r e so fc o b o t sa r ep a s s i v ea n dc o n s t r a i n t c h a r a c t r i s t i c s ，w h o s ej o i n tm o t o r sc a n ta c t u a t ej o i n t sm o v e ，a n do n l ya p p l i e dt o m o d i f yt h er a t i oo f v e l o c i t i e sb e t w e e nt h ej o i n t s a ss u c ht h et r a j e c t o r yc o n t r o lo f c o b o te l l d p o i n ti si m p l e m e n t e d t h eo p e r a t o rs u p p l i e st h ep o w e ro fc o b o tm o v i n g ， a n dp a t hc o n s t r a i n tc o n t r o li sc a r r i e do u tb yc o b o tc o n t r o ls y s t e mo fc o b o t c o b o t sp o s s e s s w i d e l ya p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d s u c h a s “i n t e l l i g e n t a s s i s t d e v i c e s ”( 1 a d s ) ，s u r g e r yo p e r a t i o n s ，t e l e p r e s e n c e o fv i r t u a l r e a l i t y a n d t e l e o p e r a t i o n ，a n dd a i l yl i f ea n ds oo n t h er e s e a r c hw o r kc o m e sf r o map r o j e c tf i l n d e db yn s f cn 、a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ) ，w h i c hi s t h er e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g yf o r p a s s i v ec o l l a b o r a t i v er o b o t ( c o b o t ) ”t h em a i no b j e c t i v ei st os t u d y o na c t u a t i o n a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fc o b o ti ni n s u f f i c i e n tp o w e rs i t u a t i o n i tc a ns u p p l y t h e o r yb a s i sf o rd e v e l o p i n gn e wc o b o tp r o d u c t i o n sa n ds p r e a d i n g t h em a i n c o n t e n t si nt h ep a p e ri n c l u d ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i co fi n s u f f i c i e n tp o w e rc o b o t ， v i r t u a lt r a j e c t o r yc o n t r o ls t r a t e g ya n dc o n t r o ls t r a t e g yo fm i c r oo p e r a t i o nf o r c e h o i s t i n gs y s t e ma n ds oo n t h ep r o t o t y p eo f t h ec o b o ti sd e v e l o p e d ，a n db a s e do n h a r di nl o o ps i m u l a t i o np l a t f o r md s p a c et h ee x p e r i m e n ts t u d yi sc o m p l e t e d t h e p a p e r r e v i e w st h er e s e a r c ha n d p r o g r e s s s i t u a t i o n so fc o b o t s d o m e s t i c a l l ya n da b r o a da n dt h e nc o m p a r e sw i t hm e c h a n i s mf e a t u r e s ，r u n n i n g p r i n c i p l e s ，a n dt h ec o n c e p to fi n s u f f i c e n tp o w e rc o b o ti sp u tf o r w a r d a n dt h e n j o i n tm e c h a n i s mf e a t u r e sa n dw o r kp r i n c i p l eo f t b ec o b o ta r es e tf o r t h a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fc o b o tat r a j e c t o r yp l a n n i n gm e t h o di sp u t 哈尔滨工程大学博士学位论文 f o r w a r db a s e do no p e r a t i o nf o r c e a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tp o s i t i o no fc o b o t e n d p o i n t ，o p e r a t i o nf o r c ea n dad e s i r e dp a t hv i r t u a lt r a j e c t o r yc o n t r o lm o d e lo f c o b o ti sb u i l tu pb ya p p l y i n gd i f f e r e n t i a lg e o m e t r yp r i n c i p l e t h et r a j e c t o r y p l a n n i n gm o d e l sw h i c hd e s i r e dp a t h e sa r eal i n e a n dac i r c l ea r ed e r i v e d t h e s i m u l i n ka n ds i m m e c h a n i c sm o d e l so fc o b o tt r a j e c t o r yc o n t r o li sc o n s t r u c t e d ， a n dt h es i m u l a t i o ns t u d i e so fc o b o tf o l l o w i n gas t r a i g h tl i n ea n das e c t i o no fc i r c l e w e r ec o m p l e t e d aj o i n tc o n s t r a i n tt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi sd e s i g n e db a s e do nt w o u n i l a t e r a lo v e r r u n n i n gc l u t c h e s t h em a t h e m a t i cm o d e l so fo v e r r u n n i n gc l u t c h a n dj o i n tm e c h a n i s ma r eb u i l t t h es i m u l a t i o na n a l y s i so f j o i n tc h a r a c t e r i s t i c si s c a r r i e do u t t h ed y n a m i c se q u a t i o n so fc o b o ta r ee s t a b l i s h e db yt w om e t h o d s ，o r l a g r a n g em e t h o do fw o r ka n de n e r g yb a l a n c ea n dn e w t o n - e u l e r i a nm e t h o d ( o r c l o s e dl o o pv e c t o rm e t h o d l t h r e ed y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l sa r ec o n s t i t u t e d b a s e do ns i m u l i n k m a a bf u n c t i o na n ds i m m e c h a n i e s t h es i m u l a t i o ns t u d y i si m p l e m e n t e df o rc o b o tf o l l o w i n gd e s i r e dp a t hu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nf o r c e s a c c o r d i n gt oc o n s t i t u e n tp a r t sa n dr u n n i n gp r i n c i p l eo fc o b o th o i s t i n g s y s t e m ，ai m p e d a n c ec o n t r o ls t r a t e g yi sp u tf o r w a r df o ra d a p t i n gt oa no p e r a t o r t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm i c r oo p e r a t i o nf o r c eh o i s t i n gs y s t e mw a sb u i l tu p a n dt h ec o m p e n s a t i o no fh o i s t i n gs y s t e mi sc a r r i e do u tb ya p p l y i n gm a t l a b s y s t e md e s i g nt o o l - s i s o t 0 0 1 t h ec o m p e n s a t o ro fm e e t i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e i n d e xi sa c q u i r e d t h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h ei m p e d a n c ec o n t r o ls t r a t e g yi s c o n s t r u c t e da n dt h es i m u l a t i o na n a l y s i so f t h ec o n t r o ls t r a t e g yi sc o m p l e t e d t h eo v e r a l l c o n t r o ls c h e m eo fi n s u f f i c i e n tp o w e rc o b o ti sd e t e r m i n e d a c c o r d i n gt ow o r kp r i n c i p l eo fc o b o ta n dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s t h ef e a t u r e sa n d f u n c t i o no fu p p e rd s p a c es i m u l a t i o ns y s t e ma r ee x p o u n d e di nd e t a i l t h e h a r d w a r es t r u c t u r e so ft h el o w e r j o i n tc o n t r o ls y s t e ma n dh o i s t i n gc o n t r o ls y s t e m a r ei l l u s t r a t e d t h eb l o c kd i a g r a mo fp r i n c i p l ep r o t o t y p eo fc o b o ti sc o n s t i t u t e d t h ep h o t o so fc o b o te x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e ，j o i n tc o n s t r a i n tm e c h a n i s ma n d h o i s t i n gs y s t e ma r eg i v e n t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fc o b o ti s c o m p l e t e db a s e do nd s p a c es i m u l a t i o n p l a t f o r mo fh a r di nl o o p ，w h i c hi n c l u d e st h ec a l i b r a t i o ne x p e r i m e n to ff o r c e 欠驱动力合作机器人的驱动及控制技术研究 s e n s o r si nc o b o te n d p o i n t ，t h ed y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n t so fc o b o t u n d e rn o n c o n s t r a i n tc o n d i t i o n ，t h ec o n t r o le x p e r i m e n to fj o i n tm e c h a n i s m ，t h e c o n t r o le x p e r i m e n t so fi n s u f f i c i e n tp o w e rc o b o ta n dt h ec o n t r o le x p e r i m e n t so f c o b o th o i s t i n g s y s t e ma n ds o o n ，t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hv a l i d a t e st h e i n s u f f i c i e n tp o w e ra n dc o n s t r a i n tc h a r a c t e r i s t i c so fe o b o tj o i n tm e c h a n i s ma n dt h e f e a s i b i l i t yo fc o b o tv i r t u a lt r a j e c t o r yc o n t r o ls t r a t e g y , a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f c o b o th o i s t i n gs y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ec o b o tp r o t o t y p e c a nm a k ec o b o tt r a c kad e s i r e dt r a j e c t o r yi nap l a n e ，a n dt h ea c c u r a c yo fc o b o t f o l l o w i n gb e t t e r c o b o th o i s t i n gs y s t e mi sc o m p l i a n c ew i t hf e a t u r e so fo p e r a t o r , a n di tc a nl e to p e r a t o rf e e lp o r t a b i l i t ya n dl a b o rs a v i n g ，s oi tm e e t sd e s i g n r e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：c o l l a b o r a t i v er o b o t ；i n s u f f i c i e n tp o w e r ；v i r t u a lt r a j e c t o r y ；c o n t r o l s t r a t e g y ；m i c r oo p e r a t i o nf o r c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：蒸王、z 日 期：2 睨年r 月汐日 第1 章绪论 1 1 课题的来源 第1 章绪论 本课题来源于国家自然科学基金项目：被动式与人合作机器人( c o b o t ) 的 关键技术研究( 6 0 2 7 5 0 3 0 ) 。 1 2 课题的研究意义 目前，机器人在工业生产中的应用越来越广泛，这不仅降低了操作者 的劳动强度，而且提高了劳动生产率和产品质量，带来了良好的社会效益 和经济效益。但是对于些复杂的作业任务，如复杂的装配作业或外科手 术等，现有的工业机器人还不能独立完成作业，即机器人还不能完全取代 人。因为人具有良好的视觉、听觉、触觉等功能系统，对工作环境具有较 好的判断力，处理突发事件的能力也很强，事实上大量的作业仍需要由人 来完成。以德国的奔驰汽车生产线为例，到目前为止，只在喷漆、铆焊等 工位普遍使用了工业机器人作业，许多的搬运、装配等作业仍然需要人工 借助于专用工具和助力设备来完成。当然也可以通过给机器人安装传感器 和完善控制软件来提高机器人的性能，但这会使系统的成本显著提高，效 果也不一定很理想。如果仅仅靠人来完成这些工作，往往劳动强度很大， 工作效率也比较低。并且现有的助力设备存在定位困难，需要的操作力较 大，难以实现轨迹控制等缺点。如图l ，1 所示，汇集工业机器人和机械助力 臂的优点产生了c o b o t ，这种机器人能够与人合作共同完成作业任务，两者 的特长将得到充分发挥，作业质量、作业效率将得到提高，机器人的应用 范围也将进一步扩大【l “。 传统的工业机器人是不允许和操作者在同一作业空间一起作业的。因为 工业机器人为了完成作业任务，需要在关节上安装驱动元件，一旦机器人失 控，就会使操作者受到伤害。据统计，1 9 8 7 年至1 9 9 0 年末日本就有1 1 人被 机器人打死。机器人安全性已成为机器人制造者、供应者、使用者以及安装 哈尔滨工程大学博士学位论文 图1 1c o b o t 产生的背景 f i g 1 1b a c k g r o u n d o f c o b o tc o m i n g i n t o b e i n g 者必须考虑的问题。 为了能使机器人与操作者在同一个作业空间内一起完成作业任务，1 9 9 5 年美国西北大学的j e c o l g a t e 和m a p e s h k i n 博士提出了一种新型机器人 合作机器人( c o l l a b o r a t i v er o b o t ，简称为c o b o t ) ，使人与机器人在同一作 业空间内合作成为可能【3 】。合作机器人基于不完全约束传动机构和虚拟轨迹 ( 虚拟墙) 控制理论，机器人通过与人合作才能完成作业任务。c o b o t 在继承 了工业机器人的承载能力强、精度高等特点的同时，发挥了人的高智能、视 觉、触觉和灵活性等特长。c o b o t 不仅可以减轻操作者的劳动强度、提高作 业效率和作业水平，而且解决了传统工业机器人不能与人在一个作业空间内 直接物理合作的问题。它主要用于外科手术、物料搬运和零件装配等需要人 机合作作业的场合。 c o b o t 有两个显著特点，一是它以被动方式工作，其运动的力由操作者 提供，因此它不会伤人：二是它以约束方式工作，c o b o t 关节上电机仅起约 束作用，只有与人合作才能完成作业任务，计算机控制系统约束了机器人的 轨迹，而操作者提供机器人运动所需要的力【4 。7 。c o b o t 是一个全新的概念， 它与现有的人与机器人协作技术以及机器人之间的协作技术是完全不同的。 现有的协作技术都是借助于在普通机器人的末端上加装传感器，通过力或其 它反馈方式实现人与机器人协作技术以及机器人之间的协作，实际上是一种 ， 第l 苹绪论 运动 办调控制技术。 本课题研究的“欠驱动力合作机器人( h l s u f l i c i e n tp o w e rc o b o t ) ”与目前 机器人技术领域中的“欠驱动机器人( u n d e r a c t u a t e dr o b o t ) ” 8 - 1 6 是完全不 同的概念。欠驱动机器人是指机器人的某一个或者两个关节没有驱动元件， 是自由的( 不驱动的) ，而其它关节是装有驱动元件的；丽本课题研究的欠驱 动力合作机器人是指机器人每个关节的驱动力都是不充分的，其大小不足以 完全驱动机器人的关节运动，来满足人机合作的安全性要求并为合作作业 的操作者提供一定的助动力，使操作轻便、省力。 不完全约束( o n h o l o n o m i cc o n s t r a i n t ) 传动机构和虚拟轨迹控制是c o b o t 的两项关键技术。不完全约束传动机构是一种单输入、多输出机构，如球面 传动机构、连续变速机构、差动机构等。上述这种机构的特点是控制电机只 用来改变输入、输出轴之间的速比，不会改变输入、输出轴的转速，即电机 的作用并不驱动关节，而是约束关节的运动。 虚拟轨迹控制是c o b o t 与普 通工业机器人控制的最大区别之 处。它基于虚拟墙( v i r t u a lw a l l ) 和 虚拟轨迹( v i r t t m lp a t h ) 理论。通过 计算机和不完全约束传动机构把 机器人的末端约束在虚拟轨迹上。 这如同人画线一样，当徒手画一条 直线时，很难把它画直：如果用一 把直尺很容易画出一条直线。在画 线的过程中，尺并没有提供画线所 需要的动力，它只起到一个约束作 图1 2 虚拟轨迹控制原理 用，画线的力来自于人手。虚拟轨 f 引2 c o n t r o lp r i n c i p l e o f v i r t u a i t r a j e c t o r y 迹控制起到的就是尺子的作用 1 1 7 - 1 9 。图1 2 所示为虚拟轨迹控制原理图。 c o b o t 可以应用于以下几个方面；制造业中的复杂装配作业，医疗中的 外科手术、临场感技术以及日常生活等方面。而智能辅助作业和外科手术 哈尔滨_ - i ：程大学博士学位论文 是其中主要的应用方面。图1 3 所示为c o b o t 在汽车驾驶舱操作台装配生产 线上的应用 3 0 - 2 2 1 。 智能辅助作业设备( 1 a d ) 是一个新兴的产业，该项技术近年在国际上发 展很快。助力设备智能化已经受到助力设备厂商的普遍重视，在西方国家， 如意大利、德国、瑞典、法国、美国等国家都有生产大型助力设备的厂家， 如s m i l i f t 、b p l 、s t r o d t e rd o n g s u n gi n d u s t r ym a c h i n e 、l i f t r o n i c d a l m e c 等公司，它们主要生产用于装配生产线或者其它涉及物料搬运、 图1 3 汽车驾驶舱装配生产线上的e o b o t f i g 1 3c o b o ta p p l i e di na s s e m b l yp r o d u c t i o nl i n eo f a u t o m o b i l ed r i v ec a b i n 传递、打包、码垛等作业的各种助力机械设备( 助力机械臂或者助力机械手) 。 仅在2 0 0 2 年的德国汉诺威世界工业博览会上参展的欧洲厂商就有十几家， 一方面表现它们产品的广泛实用性，如它们配备各种物料抓取装置( 手爪) ， 可以搬运从机械零部件到石化产品以及轻工产品等各种外形的物体；另一 方面，展示它们的高超的性能，如操作灵活性、物体重力自动平衡功能、 安全系统等。 c o b o t 技术是智能辅助作业设备( i a d ) 技术中自动化程度最高、最先进、 最核心的技术，是智能辅助设备的发展目标，目前该项技术在国际上正处于 起步阶段。它继承了助力机械臂安全省力的特点和工业机器人高精度、智能 化的优点。更重要的是它的成本远远低于普通工业机器人，它的价格优势为 打开市场提供了非常有利的条件。 由于c o b o t 可以通过与人合作完成复杂的装配作业任务，它的应用必将 扩大机器人的应用范围，使得一些如汽车、飞机生产线上仪表盘的装配， 4 第l 苹绪论 大型武备和航空航天设备等复杂装配的自动化水平得到提高。同时因为 c o b o t 具有安全和低成本等特点，必将受到用户的欢迎。 c o b o t 应用于外科手术，可将医生的手术技能、经验和机器人定位精度 高等优点结合起来，可以显著地降低手术难度，减小医生的劳动强度，提 高手术的成功率。 c o b o t 应用于临场感技术，可以为远程操作的操作者提供力约束，在操 作过程中，增加真实感，便于操作者的工作。 c o b o t 应用于日常生活，例如帮助某些“颤抖症”患者进食，帮助盲人 在固定空间内避障等。 综上所述，c o b o t 技术是机器人的前沿技术之一，是一项具有发展前景 的应用基础技术。c o b o t 的诸多优点预示着它将有广泛的应用市场，c o b o t 产品的研制和开发将对我国机器人产业的扩大和机器人技术水平的提高具 有重要意义。 1 3 国内外研究综述 1 3 1 美国 1 9 9 5 年，美国西北大学智能机械系统实验室( l a b o r a t o r yf o ri n t e l l i g e n t m e c h a n i c a ls y s t e m ，简称l i m s ) 的m a p e s h k i n ，j e c o l g a t e 和通用汽车公 司合作开始进行智能辅助设备( i a d ) 的研究。和传统的人力助力设备( 如动力 起重机等) 相比较，i a d 能显著改善工作条件，提高产品质量和效率。他们 提出了合作机器人( c o l l a b o r a t i v er o b o t ) 的概念，该机器人基于虚拟约束和被 动工作原理，与工人可以在同一个作业空间内合作，可以充分发挥机器人和 人各自的长处【2 2 1 。 c o b o t 通过虚拟约束对运动进行约束和引导，这和传统的伺服驱动临场 感技术有些类似。它们之间显著的区别是，临场感中的机器人具有驱动能力， 有力作用到操作者。而c o b o t 是完全被动的，所以它是非常安全的。文献 2 3 - 2 7 中对虚拟约束、被动特性和临场感技术进行了介绍。 最简单的c o b o t 为单舵轮c o b o t ( u n i c y c l ec o b o r ) ，其样机如图1 4 所示，其 工作原理图如图1 5 所示。上面的操纵球上装有力传感器，下面的舵轮上安 s 哈尔滨工程大学l 尊士学位论文 装有位置传感器。舵轮受伺服电机控制可改变其在平面内的方向角。陔c o b o l 有两种工作模式：自由模式和虚拟墙模式。在自由模式时，舵轮相当于自由 轮，操作者操纵上面的小球，可使机器人在平面内随意运动：在虚拟墙模式 时，当操作者施加的操作力使机器人有穿过虚拟墙的趋势时，控制系统控制 舵轮的方向角，使机器人无法向前运动( 即无法穿过虚拟墙) 。只有当操作者 施加的操作力使机器人远离虚拟墙时，该力才能有效地推动机器人，使机器 图1 4 单舵轮c o b o l 样机 f i g 1 4p r o t o t y p eo f u n i c y c l ec o b o t 人运动【2 8 。文献 2 9 1 对单舵轮 c o b o t 的控制特性进行了研究。 单舵轮c o b o t 可以在平面 二维空间内运动，有两个约束 x 和y ，但是并不能约束旋转运 动。在许多应用中( 例如外科手 术机器人) 旋转运动是非常重 要的。双舵轮c o b o t ( b i c y c l e c o b o t ) 原理图如图1 6 所示， c o b o t 具有x ，y 和角度三个约 束。它使用了2 个独立的舵轮， 它们的中心距是固定的。从外 动关 图1 。5 单舵轮c o b o l 工作原理示意图 f i g 1 5w o r kp r i n c i p l es c h e m a t i co f u n i c y c l ec o b o t 中心 图1 6 双舵轮c o b o l 原理示意图 f i g 1 6 p r i n c i p l es c h e m a t i c o f b i c y e l e c o b o l 6 第1 章绪论 形上看要比单舵轮c o b o t 稍大一些。如果是自由模式，与单舵轮c o b o t 完全 相同；在约束模式时，任何一个运动都可以看作绕两轮轴线交点( c o r ) 的转 动。实际上该交点随着舵轮转角的变化时刻在变化。但是该机器人存在奇异 点，另外稳定性也差。解决的方法是再增加一个舵轮，这时称之为三舵轮 c o b o t ( t r i c y c l ec o b o t ，又称s c o o t e 0 。图1 7 所示为s c o o t e r 的外形图。省去了 固定支架，稳定性增加了。三个舵轮各配备有一个伺服系统用来转动舵轮的 转向角，一个编码器用来测量该转向角。伺服系统改变舵轮的转向角，并不 提供使舵轮向前转动的力。三个舵轮系统由一个三角形的框架连接。操纵球 上安装有力传感器，用来测量操作者期望的运动方向。舵轮上采用三个小的 轮形面积仪测量速度四1 。其在安装车门上的应用见图1 8 阻2 9 引1 图1 7s c o o t e r f i g 1 ，7s c o o t e r 图1 8s c o o t e r 应用于轿车车门安装 f i g 1 8s c o o t e ra p p l i e di nc a l d o o r s c o o t e r 被局限于平面内工作。而关节式机器人应用更为广泛。为了使 c o b o t 应用到关节机器人中，必须有一种作用和s c o o t e r 中的舵轮相似的机械 装置。1 9 9 6 年，j e c o l g a t e 等研制了新型的连续变速装置( c v t ) 。图1 9 为 最早设计的箱式c v t 的原理图，该机构使用了一个球体、二个驱动轮、二 个从动轮( 此二轮可以省略) ，二个舵轮( 原理图中只能看见上面的舵轮，球面 下面还有一个舵轮) ，这些轮都通过施加预紧力保证和球面可靠接触，不发生 相对滑动。舵轮的转动方向决定了球面转轴的方向，即改变了驱动轮1 和2 之间的速度比。图1 。1 0 为其改进后的c v t ，省去了二个从属轮。c v t 有两 种连接方式：串联连接和并联连接，由此可以将c o b o t 也分为串联c o b o t 和 并联c o b o t 两种。图1 1 1 为采用3 个c v t 构成的关节式c o b o t 2 2 , 3 2 , 3 3 ，称为 7 哈尔滨工程大学1 尊士学位论文 朋 图1 9 简单的箱式c v t 原理图 图1 1 0 改进后的c v t f i g 1 9s c h e m a t i cd i a g r a mo f s i m p l eb o xc v t f i g 1 1 0c v to f i m p r o v e m e n t a r mc o b o t 。a r mc o b o t 采用四杆平行四边形 臂，臂上有三个关节，每个通过一个c v t 连到一个公共关节，即驱动轮。臂关节与驱 动轮之间的速度比由调整c v t 设定值进行伺 服控制。一个功率电机直接与动力轮耦合， 通过控制功率电机，a r mc o b o t 就能够与操 作者合作完成作业任务。c v t 的原理图如图 1 1 2 所示，关节之间的转速比由转向角y 决 定，即为 竺；t a n y( 卜1 ) q 文献 3 4 3 7 对c o b o t 的控制器、运动导引、 轨迹控制等进行了研究。 该种c v t 具有以下缺点： ( 1 ) 球面和驱动轮之间是点接触； ( 2 ) 球面和各轮之间有磨损，影响速比精度 ( 3 ) 球及各轮的定位均较困难。 8 图1 1 1 关节式c o b o t f i g 1 1 1a r t i c u l a t ec o b o t 第1 章绪论 图1 1 2 c v t 的原理图 f i g 1 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f c v t ( 4 ) 结构复杂，加工安装维护等工作量大。 由该c v t 构成的串联c o b o t 结构示意图如图1 1 3 所示，一个c v t 将关 节1 和2 耦合，另一个c v t 将关节2 和3 耦合，三个关节用了两套c v t ， 其串联c o b o t 原理简图如图1 1 4 所示，c v t 2 l 和c v t 3 2 控制关节1 ，2 ，3 的 速比，经过雅可比矩阵变换为c o b o t 末端的速度。并联。c o b o t 原理简图如图 1 1 5 所示，每个关节上的c v t 与一个共有电机耦合，n 个关节需要 套c v t 。 f i g 1 1 3c o n s t r u c t i o ns c h e m a t