机器人智能柔顺驱动器设计与控制

本书用于在我国“新工科”教育改革的背景下，面向智能制造相关专业，特别是交互型共融机器人领域，培养先进机器人设计基础理论与实践相结合的创新型人才，旨在推动我国共融机器人技术的发展和进步。 本书主要介绍与人交互或与环境交互的机器人智能柔顺关节驱动设计方法与控制技术，以当前协作机器人柔顺交互技术为切入点，给出了具有机械柔顺的新型非线性刚度柔顺驱动器设计的理论与方法，分别介绍了基于扭簧的非线性刚度驱动器、基于多段梁的非线性刚度驱动器、基于滚子-凸轮机构的非线性柔顺驱动器以及无滚子凸轮柔顺驱动器等的设计方法，并给出了驱动器的柔顺控制方法和基于非线性刚度驱动器的三关节机器人的设计与控制方法。本书给出了理论推导、仿真验证、实验介绍等从抽象到具体的机器人智能柔顺关节驱动设计方法和控制技术。 本书可为从事机器人研究的工程技术人员提供参考，同时也可作为高等院校相关专业本科生及研究生学习的资料。

宋智斌，博士，教授，国际先进机械与机器人中心(iCAMAR)核心成员，主要研究方向为康复机器人、机械、触觉和生物信号处理等。2006年毕业于中国哈尔滨工程大学，2009年和2012年分别在日本香川大学获得女士和博士学位。2012-2013年在香川大学从事博士后工作。2013年8月加入天津大学机械工程学院。2014年入选天津大学“英才计划”；2014年入选天津市政府第十届“天津市千人(青年)计划”。在期刊和会议上发表论文40余篇，据Scopus统计被引用120余次，拥有2项发明专利授权。

第1章 绪论001 1.1 背景和意义001 1.2 柔顺驱动器国内外发展现状002 1.3 关于交互的理解与非线性刚度柔顺驱动器的提出010 1.4 本书主要内容011 参考文献012 第2章 非线性刚度驱动器最优刚度分析015 2.1 非线性刚度驱动器最优刚度设计015 2.1.1 驱动器连续时间内的刚度离散化模型015 2.1.2 离散化刚度的非线性刚度驱动器的动力学模型016 2.1.3 综合性能评价指标PRI 018 2.1.4 非线性刚度驱动器控制带宽分析019 2.1.5 非线性刚度驱动器力矩分辨力分析021 2.1.6 最优刚度设计022 2.2 非线性刚度驱动器最优刚度计算024 2.2.1 最优刚度的数值求解算法024 2.2.2 最优刚度控制性能分析026 2.2.3 具有最优刚度的非线性刚度驱动器控制性能实验验证029 参考文献031 第3章 基于扭簧的非线性刚度驱动器设计032 3.1 基于扭簧的非线性刚度驱动器原理033 3.1.1 非线性刚度机构设计033 3.1.2 双向对称刚度机构设计035 3.2 非线性刚度机构关键构件轮廓线及参数设计计算038 3.2.1 凸轮有效轮廓曲线设计计算038 3.2.2 非线性刚度机构关键参数优化设计044 3.3 非线性刚度驱动器样机设计及刚度特性验证047 3.3.1 驱动器样机主体结构设计047 3.3.2 驱动器关键部件的设计与选型049 3.3.3 驱动器刚度特性仿真与实验验证052 3.3.4 与其他驱动器规格对比055 3.4 非线性刚度驱动器动力学建模及控制性能测试056 3.4.1 驱动器动力学建模056 3.4.2 驱动器控制系统搭建058 3.4.3 力矩阶跃响应实验059 3.4.4 正弦力矩跟踪实验061 参考文献063 第4章 基于多段梁的非线性刚度柔顺元件设计064 4.1 柔性梁非线性刚度分析模型064 4.1.1 概述064 4.1.2 链式算法065 4.1.3 伪刚体2R 模型067 4.1.4 基于伪刚体2R 模型的链式算法069 4.2 面向非线性刚度驱动器的柔顺元件刚度分析074 4.2.1 柔顺元件刚度分析模型074 4.2.2 柔顺元件刚度仿真验证078 4.2.3 非线性刚度产生机理分析078 4.3 基于多段梁的非线性刚度柔顺机构设计082 4.3.1 多段梁结构参数设计082 4.3.2 基于多段梁的柔顺机构设计实例084 4.3.3 柔顺元件刚度特性实验验证087 参考文献090 第5章 基于滚子-凸轮悬臂梁机构的非线性刚度柔顺驱动器092 5.1 基于滚子-凸轮悬臂梁机构的非线性刚度柔顺机构设计092 5.1.1 弹性元件拓扑设计092 5.1.2 非线性刚度形成原理093 5.2 非线性刚度驱动器弹性元件设计和仿真验证097 5.2.1 驱动器弹性元件设计097 5.2.2 弹性元件的有限元仿真验证104 5.3 非线性刚度驱动器结构设计和样机设计109 5.3.1 结构设计110 5.3.2 驱动器关键零部件选型111 5.3.3 驱动器样机设计112 5.4 非线性刚度驱动器给定刚度仿真与实验验证113 5.5 非线性刚度驱动器控制性能分析114 5.5.1 驱动器力矩控制性能分析115 5.5.2 驱动器与不同刚度的串联弹性驱动器性能对比117 5.5.3 驱动器安全性能分析121 参考文献122 第6章 基于滚子-凸轮板簧机构的非线性刚度驱动器控制策略124 6.1 非线性刚度驱动器控制策略124 6.1.1 位置控制策略及验证124 6.1.2 力矩控制策略及验证127 6.1.3 阻抗控制策略及验证131 6.2 非线性刚度驱动器消除外界干扰的补偿算法133 6.2.1 基于力矩模型的状态方程134 6.2.2 干扰观测器建立135 6.2.3 李雅普诺夫稳定性分析136 6.2.4 干扰观测器实验验证137 6.3 非线性刚度驱动器消除弹性元件迟滞的补偿算法141 6.3.1 基于阻抗模型的状态方程142 6.3.2 基于Bouc-wen 模型的算法原理143 6.3.3 李雅普诺夫稳定性分析145 6.3.4 消除迟滞模型实验验证147 6.4 非线性刚度驱动器参数自动调节反馈控制器设计150 6.4.1 经典PD 反馈控制的局限性151 6.4.2 参数自动调节反馈控制器设计153 6.4.3 参数自动调节反馈控制器性能分析155 6.4.4 参数自动调节反馈控制器实验验证159 参考文献160 第7章 基于无滚子凸轮机构的非线性刚度驱动器设计163 7.1 非线性刚度驱动器原理163 7.1.1 非线性弹性机构构型设计164 7.1.2 凸轮轮廓线设计164 7.2 非线性弹性机构设计参数分析和选取168 7.2.1 设计参数分析168 7.2.2 设计参数选取169 7.3 非线性弹性机构摩擦力分析170 7.3.1 滑动距离分析170 7.3.2 滑动摩擦力能耗分析170 7.4 非线性刚度驱动器样机设计及刚度特性验证171 7.4.1 驱动器机械结构设计171 7.4.2 驱动器刚度特性仿真及实验验证172 7.5 非线性刚度驱动器控制性能实验测试176 7.5.1 正弦力矩跟踪和位置跟踪性能实验测试176 7.5.2 零力矩跟踪性能实验测试177 参考文献177 第8章 基于非线性刚度驱动的柔性机器人设计与控制178 8.1 三自由度柔性机器人设计178 8.1.1 柔性机器人系统设计与运动分析178 8.1.2 柔性机器人样机设计和硬件系统搭建181 8.2 基于扩展卡尔曼滤波的柔性机器人末端轨迹控制183 8.2.1 机器人模型和动力学方程183 8.2.2 控制系统及状态方程建立184 8.2.3 扩展卡尔曼观测器建立186 8.2.4 李雅普诺夫稳定性分析187 8.2.5 实验验证189 8.3 基于一种终端滑模的机械臂末端轨迹控制192 8.3.1 基于Terminal 滑模控制的算法原理192 8.3.2 李雅普诺夫稳定性及系统鲁棒性分析194 8.3.3 实验验证196 参考文献198 附录199