随着科技的进步,机器人的应用领域逐步扩宽,除了在制造领域发挥重要作用外,也逐步应用于军事、服务等其它领域。特别是工业机器人的应用,已经较大地提高了社会生产力,将工人从重复而繁琐的工作中解放出来。然而,使机器人能运用于更多领域的前提是机器人需要具备足够的安全性能。当前制约机器人进一步发展及应用的问题是安全性问题,安全性问题已经成为机器人研究的一个热点。本论文来源于国家自然科学基金项目《通过粘弹性包覆层形变力反馈主动提高机器人安全性》,本项目的研究目标是通过在机械臂上包覆粘弹性材料并结合适当的控制措施,抑制工业机械臂与人发生碰撞时的撞击力,提高机器人的安全性。机器人与人碰撞的严重程度与接触面的软硬程度有直接的关系,因此将机械臂包覆粘弹性材料不仅能够大幅降低碰撞接触力,为机器人采取控制措施提供缓冲时间,吸收碰撞过程中机械臂的运动能量,而且还增加了人机接触的面积,进一步降低碰撞部位的作用应力。本文重点研究机械臂的粘弹性材料在碰撞过程中对碰撞力、碰撞区域的应力应变以及能量吸收等方面的影响并对碰撞过程进行建模与分析,为粘弹性材料的选取提供理论依据。本文首先根据粘弹性材料的特性,通过蠕变和应力松弛等的特性分析,选择三参量固体本构关系模型表征粘弹性材料应力应变之间的关系,并通过万能实验机实测粘弹性材料模型参数以及材料动态性能。根据材料的本构关系建立人机自由碰撞模型,仿真分析粘弹性包覆层以及模型各参数在人机碰撞过程中对碰撞力的影响,并分析了受迫碰撞的过程;其次根据材料的应变-应力动态特性和人体受力情况,通过SolidWorks对人体和机器人进行建模,利用有限元仿真人机碰撞过程,并通过LS-DYNA后续处理软件研究粘弹性材料对碰撞应力的弱化作用;最后分析粘弹性材料在人机碰撞过程中能量吸收的情况,以及模型参数对能量吸收能力的影响;并建立自由落体碰撞过程中的材料能量损耗模型,通过设计和搭建自由落体碰撞实验台,利用高速摄像机以及图像处理软件等处理,获取碰撞过程的位移变化以及碰撞前后速度,验证了材料的能量吸收效果。