【摘 要】
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机器人技术的深入发展使得机器人应用的触角深入生活方方面面,特别是在医疗业和物流业,机器人已成为助推产业变革的重要力量,人机协作的安全性与柔顺性成为亟待解决的问题。本文基于人体上肢柔顺原理,设计了肘关节刚度可变的两自由度机械臂,使用表面机电信号作为人体肘关节刚度信息载体,提出人机刚度匹配控制方法,提高了人机交互时的柔顺性。论文完成的主要工作如下:首先,基于人体上肢生物学参数,完成了SoftJoint
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机器人技术的深入发展使得机器人应用的触角深入生活方方面面,特别是在医疗业和物流业,机器人已成为助推产业变革的重要力量,人机协作的安全性与柔顺性成为亟待解决的问题。本文基于人体上肢柔顺原理,设计了肘关节刚度可变的两自由度机械臂,使用表面机电信号作为人体肘关节刚度信息载体,提出人机刚度匹配控制方法,提高了人机交互时的柔顺性。论文完成的主要工作如下:首先,基于人体上肢生物学参数,完成了SoftJoint Ⅱ的样机设计与加工。针对实验室变刚度柔顺关节SoftJoint Ⅰ进行改进设计:增加肩关节俯仰自由度,设计变刚度调节结构,通过选用合适材料和3D打印实现轻量化,进行了运动学正逆解计算,并分析了机械臂工作空间。其次,基于静力学分析,推导出机械臂肘关节刚度与弹性带调节量、肘关节角位移以及肘关节变形角关系,建立了肘关节刚度数学模型;提出以肌电信号为表征量的人体刚度确定方法。通过MYO手环采集sEMG信号,对sEMG信号进行快速幅值包络和归一化处理,基于上肢肌肉活跃水平将sEMG信号分段映射,作为人体肘关节刚度。然后,搭建机械臂的控制系统,设计人机协作刚度匹配算法,完成控制系统硬件选型和软件程序编写。实现机械臂关节运动控制,刚度调节,人机协作刚度匹配功能。最后,完成机械臂直线轨迹跟随、变刚度关节刚度阶跃、人机刚度匹配静态协作抬举重物实验,表明机械臂具有较快的变刚度响应和较好的人机协作效果。
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