一种可变阻尼的高冗余机器人设计

摘要

机器人在执行捕获类任务的过程中，碰撞是不可避免的．刚性机构能够让捕获目标快速停止，但是容易因为受到剧烈撞击而造成设备损坏等严重问题；柔性机构虽然能够减小碰撞冲击力，但无法对目标产生足够的停止作用，从而产生强烈的振动，给稳定捕获带来困难．为了克服这种矛盾，在机器人结构中加入变阻尼驱动器是一个较为可行的研究方向．为此，设计了一种可变阻尼的高冗余机器人．该设计采用流体节流原理产生黏滞阻尼，通过改变阻尼孔的截面积来实现阻尼控制．然后，利用牛顿-欧拉动态平衡公式建立了机器人的动力学模型，通过质量集中的方法对机器人的碰撞模型进行简化．对面临不同方向冲击时机器人的动量变化以及受到的冲击力进行了计算和仿真，探索影响其大小的因素．结果表明，当机器人姿态正对着冲击物体的速度方向时动量变化最大，当机器人姿态与冲击物体的速度方向大致垂直时受到的冲击力最小，而机器人本身的阻尼越大，受到的冲击力越大．在此基础上，提出捕获效能指标，采用粒子群优化算法对动量和冲击力进行了综合优化，使得所设计的机器人能够在对冲击物体产生较大停止作用的同时尽可能减小自身受到的冲击力．最后，通过实物模型对仿真结果进行了验证，证明了本文模型的正确性．

关键词

高冗余机器人 / 可变阻尼 / 动力学