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微载荷下精密弹性元件刚度测量装置研究

微载荷下精密弹性元件刚度测量装置研究

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作者：赵鹏翔哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

弹簧管作为一种精密弹性元件,是航天、航海、航空领域常用的控制导航器件电液伺服阀的关键零件,其刚度参数对相应器件的控制性能影响较大,因此,在弹簧管生产加工过程中,不仅对其尺寸和几何形状有很高的精度要求,而且对其刚度性能也有较... 详细信息

弹簧管作为一种精密弹性元件,是航天、航海、航空领域常用的控制导航器件电液伺服阀的关键零件,其刚度参数对相应器件的控制性能影响较大,因此,在弹簧管生产加工过程中,不仅对其尺寸和几何形状有很高的精度要求,而且对其刚度性能也有较高的要求。随着制造技术水平的提高以及航空航天技术发展的需要,原有的传统刚度测量方法已经不能满足测量精度要求,所以,研究新型精密弹性元件刚度测量技术有重要的现实意义。本课题旨在设计一套装夹工件迅速便捷、加载和测量精度高、数据可自动采集分析处理、可靠性高的精密弹性元件刚度测量装置。本文通过弹性力学理论,推导出横力弯曲下弹簧管的位移公式,并将弹性力学位移公式、材料力学位移公式、有限元仿真所计算的弹簧管变形量进行了对比,为误差分析提供了依据。其次,通过分析位移公式的使用条件以及课题要求,对刚度测量装置提出了数点设计要求,由此设计出刚度测量系统总体方案。根据设计的刚度测量系统总体方案,结合生产实际,完成了刚度测量装置的研发。该装置以蜗轮减速机配套步进电机作为加载装置,实现了微载荷的加载;通过选择合适的测控硬件设备,开发了相应的测控软件,实现了刚度测量装置的自动化测量;装置设计的移动平台和底部平台能实现测量和加载装置的快速移动,并提高测量精度;通过对多种弹簧管固定方案的对比选择,实现了装置的快速装夹和限制凸台位移功能。通过理论分析和有限元仿真的方法,对研制的刚度测量装置的构件制造及安装误差、刚度测量原理误差等系统误差对刚度测量系统的影响进行了分析,为进一步提高精密弹性元件刚度测量装置的精度提供了科学依据。此外,本文还阐述了如何处理刚度测量实验数据以及如何计算刚度测量系统的标准不确定度。

关键词：微载荷精密弹性元件刚度测量装置

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人体上肢末端刚度测量、估计与人机交互

人体上肢末端刚度测量、估计与人机交互

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作者：林剑锋华中科技大学

学位级别：硕士

阻抗控制是提升人机交互柔顺性的关键技术,刚度参数作为阻抗控制中的一个重要参数,对机器人柔顺控制起到决定性的作用。借鉴于人体刚度调节以抵抗环境干扰的机制,研究人体阻抗参数并辨识其中的刚度参数,有助于实现机器人的拟人刚度调节... 详细信息

阻抗控制是提升人机交互柔顺性的关键技术,刚度参数作为阻抗控制中的一个重要参数,对机器人柔顺控制起到决定性的作用。借鉴于人体刚度调节以抵抗环境干扰的机制,研究人体阻抗参数并辨识其中的刚度参数,有助于实现机器人的拟人刚度调节,能够改善交互型机器人的顺应性与拟人性。人体表面肌肉电信号(sEMG)蕴含信息丰富,无创采集,并且信号产生时间早于肢体动作,适合作为人体刚度信息解码信号,并向机器人发送刚度调节指令。本研究采用自主搭建的人体上肢末端刚度测量装置进行刚度测量,通过对上肢肌肉的sEMG解码实现上肢刚度的实时预测,并进行机械臂的导纳控制。所以本文研究主要包含以下几个方面:(1)人体上肢末端刚度测量平台的搭建。本文设计的刚度测量平台根据功能可分为三个模块:测量模块、传动模块与驱动模块。其中,关键机构包括凸轮机构与行星轮机构,利用凸轮机构与行星轮机构之间的转速比实现水平面上的随机振动。(2)基于局部扰动理论的上肢末端刚度测量。结合上肢末端刚度测量平台开展测量实验,记录实验过程中受试者上肢末端的回复力与位移数据,配合两种动力学模型计算刚度值,分析弹簧动力学模型与刚度-阻尼-惯性动力学模型的末端刚度计算精度并绘制刚度椭圆图形化分析刚度特性。(3)基于表面肌电信号的人体上肢刚度估计模型。结合上肢八块肌肉的sEMG与肩、肘关节力矩辨识基于sEMG的关节力矩估计模型参数,计算肌肉共同收缩系数(IMCJ)。分析不同末端回复力与IMCJ对末端刚度的影响规律,建立基于IMCJ的上肢刚度估计模型。(4)基于机器人操作系统(ROS)的导纳控制系统开发。建立了机械臂的运动坐标系实现逆运动学求解,设计了基于机械臂末端力反馈的导纳控制器,选择不同阻抗参数改变导纳控制器性能,探究机械臂的导纳控制效果,验证所提出的刚度估计方法应用于人机交互的可行性。

关键词：人体上肢末端刚度刚度测量装置刚度估计方法导纳控制人机交互

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