基于行星齿轮传动的串联弹性执行器传动结构及动态分析

串联弹性执行器存在着齿轮减速器的游隙,工作范围有限等问题。基于此,本文提出将行星齿轮结构应用于串联弹性执行器中,该结构可以最大程度地减少弹性执行器运动中的反冲力。通过对本文设计的基于行星齿轮传动的串联弹性执行器动态力学模型进行分析,验证了该机构的有效性。

一种新型SEA结构设计及弹性单元优化研究

为了满足康复机器人肘关节运动要求,采用一种应用于串联弹性执行器(Series Elastic Actuator,SEA)的双节点对称螺旋波纹结构弹性单元,将储能比作为优化标准,在相同质量前提下能达到最大储能比,可以更好地吸收机械手臂的振动、保证患者的安全。首先,对SEA进行三维建模;其次,利用有限元软件对转矩弹簧进行仿真分析,得到该弹性单元的安全系数为2.37;最后,加工出实物。实验表明,该弹性单元储能比可达9.63 J/kg,实测刚度kr=264.04 N·m/rad,与模拟刚度的误差为6.86%,且弹性单元的扭转角与转矩呈线性关系,可用于机械手臂柔性连接,为进一步优化机器人打下基础,同时也为解决此类问题提供了一种技术验证手段。

基于参数估计-滑模阻抗控制的SEA性能分析

重载四足机器人的足部与地面接触过程和步态转换过程中会受到不确定的冲击载荷作用,易导致足部机构载荷过大从而造成结构的冲击损坏。因此,针对使用液压串联弹性执行器(series elastic actuators,SEA)作为足部末端在非结构环境下动态性能差的问题,提出了基于环境参数估计的滑模阻抗控制方法(environmental parameter estimation sliding mode,EPESM)。以阀控液压缸的活塞位移传递函数为基础建立了基于位置内环的SEA阻抗控制模型,并以PID作为基础控制器;为改善SEA阻抗控制的动态性能,根据Lyapunov第二法构建稳定的自适应环境参数估计方法对SEA期望位置进行前馈补偿;为提升自适应环境参数估计方法在SEA工作过程中不同阶段的动态性能和环境变化适应性,使用模糊控制方法对自适应环境参数估计方法中的自适应参数进行寻优;以SEA状态方程为基础构建滑模控制器与PID控制器进行动态性能对比分析。仿真结果表明:在变SEA弹簧刚度工况和变环境刚度下,EPESM阻抗控制的响应速度明显更快,可将调节时间从平均5 s缩短到1 s内,能更快地达到预期位移和预期接触力,且能略微降低稳态误差,使接触力误差保持在±6 N内。在动态跟踪工况下,EPESM阻抗控制的动态性能更好,在快速进入跟踪状态后,可以长时间保持0.2 s以内的相位滞后和5.2%的幅值误差。

基于Fluent的高功率密度SEA热仿真设计与优化

在串联弹性执行器(SEA)的电动机长时间的工作状态下,线圈的电阻会发热的同时电流在铁芯里面产生涡流而发热,若不及时散发热量,则温度很快会超出使用范围损坏线圈的绝缘,从而导致电动机损坏,为了解决这一问题,对SEA进行水冷结构的设计。通过电动机温升计算以及Fluent热仿真分析确定出水道的形状、个数和最佳循环水速;同时用Workbench对SEA重要部件进行轻量化分析和设计,进而实现提高SEA功率密度目的,该设计可以满足实际应用。