機器人智能柔順驅(qū)動器設計與控制

第1章 緒論001
1.1 背景和意義001
1.2 柔順驅(qū)動器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀002
1.3 關于交互的理解與非線性剛度柔順驅(qū)動器的提出010
1.4 本書主要內(nèi)容011
參考文獻012
第2章 非線性剛度驅(qū)動器最優(yōu)剛度分析015
2.1 非線性剛度驅(qū)動器最優(yōu)剛度設計015
2.1.1 驅(qū)動器連續(xù)時間內(nèi)的剛度離散化模型015
2.1.2 離散化剛度的非線性剛度驅(qū)動器的動力學模型016
2.1.3 綜合性能評價指標PRI 018
2.1.4 非線性剛度驅(qū)動器控制帶寬分析019
2.1.5 非線性剛度驅(qū)動器力矩分辨力分析021
2.1.6 最優(yōu)剛度設計022
2.2 非線性剛度驅(qū)動器最優(yōu)剛度計算024
2.2.1 最優(yōu)剛度的數(shù)值求解算法024
2.2.2 最優(yōu)剛度控制性能分析026
2.2.3 具有最優(yōu)剛度的非線性剛度驅(qū)動器控制性能實驗驗證029
參考文獻031
第3章 基于扭簧的非線性剛度驅(qū)動器設計032
3.1 基于扭簧的非線性剛度驅(qū)動器原理033
3.1.1 非線性剛度機構(gòu)設計033
3.1.2 雙向?qū)ΨQ剛度機構(gòu)設計035
3.2 非線性剛度機構(gòu)關鍵構(gòu)件輪廓線及參數(shù)設計計算038
3.2.1 凸輪有效輪廓曲線設計計算038
3.2.2 非線性剛度機構(gòu)關鍵參數(shù)優(yōu)化設計044
3.3 非線性剛度驅(qū)動器樣機設計及剛度特性驗證047
3.3.1 驅(qū)動器樣機主體結(jié)構(gòu)設計047
3.3.2 驅(qū)動器關鍵部件的設計與選型049
3.3.3 驅(qū)動器剛度特性仿真與實驗驗證052
3.3.4 與其他驅(qū)動器規(guī)格對比055
3.4 非線性剛度驅(qū)動器動力學建模及控制性能測試056
3.4.1 驅(qū)動器動力學建模056
3.4.2 驅(qū)動器控制系統(tǒng)搭建058
3.4.3 力矩階躍響應實驗059
3.4.4 正弦力矩跟蹤實驗061
參考文獻063
第4章 基于多段梁的非線性剛度柔順元件設計064
4.1 柔性梁非線性剛度分析模型064
4.1.1 概述064
4.1.2 鏈式算法065
4.1.3 偽剛體2R 模型067
4.1.4 基于偽剛體2R 模型的鏈式算法069
4.2 面向非線性剛度驅(qū)動器的柔順元件剛度分析074
4.2.1 柔順元件剛度分析模型074
4.2.2 柔順元件剛度仿真驗證078
4.2.3 非線性剛度產(chǎn)生機理分析078
4.3 基于多段梁的非線性剛度柔順機構(gòu)設計082
4.3.1 多段梁結(jié)構(gòu)參數(shù)設計082
4.3.2 基于多段梁的柔順機構(gòu)設計實例084
4.3.3 柔順元件剛度特性實驗驗證087
參考文獻090
第5章 基于滾子-凸輪懸臂梁機構(gòu)的非線性剛度柔順驅(qū)動器092
5.1 基于滾子-凸輪懸臂梁機構(gòu)的非線性剛度柔順機構(gòu)設計092
5.1.1 彈性元件拓撲設計092
5.1.2 非線性剛度形成原理093
5.2 非線性剛度驅(qū)動器彈性元件設計和仿真驗證097
5.2.1 驅(qū)動器彈性元件設計097
5.2.2 彈性元件的有限元仿真驗證104
5.3 非線性剛度驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設計和樣機設計109
5.3.1 結(jié)構(gòu)設計110
5.3.2 驅(qū)動器關鍵零部件選型111
5.3.3 驅(qū)動器樣機設計112
5.4 非線性剛度驅(qū)動器給定剛度仿真與實驗驗證113
5.5 非線性剛度驅(qū)動器控制性能分析114
5.5.1 驅(qū)動器力矩控制性能分析115
5.5.2 驅(qū)動器與不同剛度的串聯(lián)彈性驅(qū)動器性能對比117
5.5.3 驅(qū)動器安全性能分析121
參考文獻122
第6章 基于滾子-凸輪板簧機構(gòu)的非線性剛度驅(qū)動器控制策略124
6.1 非線性剛度驅(qū)動器控制策略124
6.1.1 位置控制策略及驗證124
6.1.2 力矩控制策略及驗證127
6.1.3 阻抗控制策略及驗證131
6.2 非線性剛度驅(qū)動器消除外界干擾的補償算法133
6.2.1 基于力矩模型的狀態(tài)方程134
6.2.2 干擾觀測器建立135
6.2.3 李雅普諾夫穩(wěn)定性分析136
6.2.4 干擾觀測器實驗驗證137
6.3 非線性剛度驅(qū)動器消除彈性元件遲滯的補償算法141
6.3.1 基于阻抗模型的狀態(tài)方程142
6.3.2 基于Bouc-wen 模型的算法原理143
6.3.3 李雅普諾夫穩(wěn)定性分析145
6.3.4 消除遲滯模型實驗驗證147
6.4 非線性剛度驅(qū)動器參數(shù)自動調(diào)節(jié)反饋控制器設計150
6.4.1 經(jīng)典PD 反饋控制的局限性151
6.4.2 參數(shù)自動調(diào)節(jié)反饋控制器設計153
6.4.3 參數(shù)自動調(diào)節(jié)反饋控制器性能分析155
6.4.4 參數(shù)自動調(diào)節(jié)反饋控制器實驗驗證159
參考文獻160
第7章 基于無滾子凸輪機構(gòu)的非線性剛度驅(qū)動器設計163
7.1 非線性剛度驅(qū)動器原理163
7.1.1 非線性彈性機構(gòu)構(gòu)型設計164
7.1.2 凸輪輪廓線設計164
7.2 非線性彈性機構(gòu)設計參數(shù)分析和選取168
7.2.1 設計參數(shù)分析168
7.2.2 設計參數(shù)選取169
7.3 非線性彈性機構(gòu)摩擦力分析170
7.3.1 滑動距離分析170
7.3.2 滑動摩擦力能耗分析170
7.4 非線性剛度驅(qū)動器樣機設計及剛度特性驗證171
7.4.1 驅(qū)動器機械結(jié)構(gòu)設計171
7.4.2 驅(qū)動器剛度特性仿真及實驗驗證172
7.5 非線性剛度驅(qū)動器控制性能實驗測試176
7.5.1 正弦力矩跟蹤和位置跟蹤性能實驗測試176
7.5.2 零力矩跟蹤性能實驗測試177
參考文獻177
第8章 基于非線性剛度驅(qū)動的柔性機器人設計與控制178
8.1 三自由度柔性機器人設計178
8.1.1 柔性機器人系統(tǒng)設計與運動分析178
8.1.2 柔性機器人樣機設計和硬件系統(tǒng)搭建181
8.2 基于擴展卡爾曼濾波的柔性機器人末端軌跡控制183
8.2.1 機器人模型和動力學方程183
8.2.2 控制系統(tǒng)及狀態(tài)方程建立184
8.2.3 擴展卡爾曼觀測器建立186
8.2.4 李雅普諾夫穩(wěn)定性分析187
8.2.5 實驗驗證189
8.3 基于一種終端滑模的機械臂末端軌跡控制192
8.3.1 基于Terminal 滑模控制的算法原理192
8.3.2 李雅普諾夫穩(wěn)定性及系統(tǒng)魯棒性分析194
8.3.3 實驗驗證196
參考文獻198
附錄199