康復(fù)機(jī)器人用彈性驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)及力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器（Series Elastic Actuator,SEA）作為康復(fù)機(jī)器人的動(dòng)力源,可以達(dá)到柔性驅(qū)動(dòng)的目的,決定著整個(gè)康復(fù)機(jī)器人的柔順性和安全性。本論文針對(duì)目前傳統(tǒng)剛性驅(qū)動(dòng)器柔性不足而帶來的可穿戴性和安全性問題，在其基礎(chǔ)上增加彈性組件，設(shè)計(jì)出了一種變剛度活塞式SEA及其力控制系統(tǒng)，最后運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)上述部分結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　首先，概述國內(nèi)外傳統(tǒng)SEA結(jié)構(gòu)、變剛度SEA結(jié)構(gòu)以及力控制策略的研究情況

2、。根據(jù)康復(fù)機(jī)器人的工作要求和人體肌肉的剛度加強(qiáng)型特征，在傳統(tǒng)固定剛度SEA結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種變剛度活塞式SEA樣機(jī)方案；并對(duì)傳統(tǒng)SEA和活塞式SEA在緊湊性方面進(jìn)行比較，并在受徑向或軸向載荷時(shí)進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，得出活塞式變剛度SEA具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力較強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。
　　其次，以單剛度SEA力學(xué)模型為研究對(duì)象，根據(jù)兩種基本控制策略如位置源和力源，分別進(jìn)行了開環(huán)和閉環(huán)頻域比較和分析，探討了彈簧剛度、等效質(zhì)量等

3、參量對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性以及驅(qū)動(dòng)帶寬的影響；最后對(duì)雙串聯(lián)SEA和單剛度SEA的抗沖擊性能進(jìn)行頻域比較分析。分析結(jié)果得出力源控制法在各方面的性能比位置源要理想，且雙串聯(lián)SEA在高頻信號(hào)沖擊時(shí)，比單剛度SEA具有更強(qiáng)的抗沖擊性能。
　　然后，以肘關(guān)節(jié)為例，根據(jù)不同工況建立了SEA系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，經(jīng)簡(jiǎn)化分析后提出了控制方案，并設(shè)計(jì)了干擾反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)；考慮外界擾動(dòng)，對(duì)比分析系統(tǒng)的階躍響應(yīng)變化情況；對(duì)干擾觀測(cè)器的可行性以及帶有干擾觀測(cè)器的

4、SEA力控制系統(tǒng)的響應(yīng)能力進(jìn)行了證明。所得結(jié)果證明了此系統(tǒng)具備很強(qiáng)的抗干擾性能，能快速響應(yīng)輸入且精度較高。這些數(shù)學(xué)模型為設(shè)計(jì)實(shí)際的物理環(huán)節(jié)，構(gòu)建真實(shí)的力伺服控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
　　最后，通過Adams和matlab/simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，搭建了SEA虛擬樣機(jī)仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了力源控制模型兩大特性（力輸出特性和輸出阻抗），并對(duì)SEA驅(qū)動(dòng)端速度/位移跟隨特性進(jìn)行分析。與直接做物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)節(jié)約成本，為SEA的力