一種新型變剛度關(guān)節(jié)的設(shè)計及其控制研究.pdf

1、變剛度關(guān)節(jié)由于關(guān)節(jié)剛度可調(diào)，因而相較于傳統(tǒng)剛性關(guān)節(jié)和定剛度關(guān)節(jié)，具有更快闊的應(yīng)用前景。同時，也因為需要實現(xiàn)剛度的調(diào)整，所以結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，單個關(guān)節(jié)系統(tǒng)需要兩個電機，一個位置電機調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)位置，一個調(diào)剛電機調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)剛度。變剛度關(guān)節(jié)的這種特性，對其結(jié)構(gòu)和控制提出了更高要求，因此，變剛度關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其控制算法研究是一個十分具有挑戰(zhàn)性的課題。
　　傳統(tǒng)的變剛度關(guān)節(jié)變剛度原理多為對抗彈簧、彈性材料以及杠桿原理等。其中對抗彈簧耗能較大；彈性材料

2、對材料特性要求較高，且剛度變化范圍有限；杠桿原理被采用的最多，但采用改變彈性端或負載端的力臂實現(xiàn)變剛度，其剛度變化范圍有限，而改變杠桿支點位置能夠?qū)崿F(xiàn)剛度的大范圍變化，從接近于零到接近于完全剛性。采用杠桿原理的變剛度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且存在體積大，質(zhì)量大，齒輪嚙合間隙，滾子槽內(nèi)滑動摩擦耗能大，滾珠絲桿響應(yīng)慢等諸多問題。在控制研究上也還不夠深入，軌跡跟蹤實驗不夠理想。
　　針對現(xiàn)有變剛度原理應(yīng)用中所存在的問題，本文提出了一種基于扭簧

3、特性的變剛度原理，其采用雙滾子雙扭簧結(jié)構(gòu)，滾子與扭簧臂之間為滾動摩擦。具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)剛能量損耗小，剛度變化范圍大的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)從接近于零到接近于完全剛性的剛度變化。采用鋼絲繩傳動，具有承力大，結(jié)構(gòu)緊湊的特點，同時避免了齒輪嚙合傳動間隙，以及滾珠絲桿質(zhì)量大，體積大，響應(yīng)慢的特點。基于模塊化的思想，進行了變剛度關(guān)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，將系統(tǒng)調(diào)剛部分，即調(diào)剛電機及其傳動部分，和輸入輸出偏差角的測量部分，即絕對磁編碼器，都整合進關(guān)節(jié)內(nèi)部，使系統(tǒng)

4、結(jié)構(gòu)更加緊湊。
　　針對變剛度關(guān)節(jié)彈性非線性環(huán)節(jié)導(dǎo)致系統(tǒng)控制器直接設(shè)計比較困難，且易受外界擾動影響的問題，本文提出了基于虛擬力矩分層控制的方法設(shè)計PD控制器，并提出了引入擾動補償器對外界擾動等不確定因素加以補償。實時地調(diào)整命令，進而改善關(guān)節(jié)輸出軸的軌跡跟蹤性能，以及動態(tài)響應(yīng)性能。通過對不同剛度、負載、信號的軌跡跟蹤實驗效果的對比，驗證了PD控制器能夠?qū)崿F(xiàn)較好的軌跡跟蹤效果，同時也驗證了引入的擾動補償器對軌跡跟蹤實驗效果有一定的改善