基于串联弹性驱动器的拉力机设计与控制

恒力矩训练能够提高肌肉耐力锻炼效果。传统拉力机提供恒力矩训练时,在健身人员拉、松转变阶段提供的输出力矩线性不柔顺,会造成人机交互安全问题。对此,基于串联弹性驱动器进行拉力机设计与控制。通过引入串联弹性驱动器提高拉力机输出端的被动柔顺性,使运动更加舒适,并减小肌肉与关节的压力,减少疼痛。为提高拉力机力矩输出控制的精确度,对拉力机结构进行优化,并对拉力机动力学模型进行分析和优化,提出惯性权重变化速率不断变化粒子群优化算法整定参数,进行比例积分微分控制。通过改变惯性权重变化过程,改善粒子群优化算法后期易陷入局部最优解的缺陷,使比例积分微分参数整定得到最优解,从而提高拉力机恒力矩控制的主动柔顺性。通过不同算法对比试验,惯性权重变化速率不断变化粒子群优化算法相比传统粒子群优化算法,调节时间优化比例为37%,超调量优化比例为88%,具有更快的力矩跟随响应和更好的柔顺性。研究结果对改善拉力机训练效果,提升健身人员体验,避免潜在的肌肉和关节问题具有参考价值。

串联弹性驱动器力驱动力学模型和稳定性分析

为了建立基于力源驱动的串联弹性驱动器(series elastic actuator,SEA)动力学模型,在模型中将弹性元件简化为刚度-阻尼并联环节,通过Laplace变换并得到了力源驱动的开环和闭环系统传递函数,进而通过Nyquist稳定判据对其稳定性进行分析,通过Bode图得到其力输出带宽.通过控制与动力学仿真软件对该模型进行机电一体化系统联合仿真得到系统阶跃与正弦跟踪响应,最终利用DSpace与已完成的SEA样机进行实物控制试验,理论仿真和试验结果基本一致,SEA样机力输出稳定,证明所建立模型合理.

新型串联弹性驱动器设计与速度控制

针对机械臂与环境间的交互性和安全性问题,设计一种新型串联弹性驱动器(series elastic actuator,SEA)。通过设计平面型扭转弹性元件替代传统弹簧,使得驱动器具有较高的集成度。弹性元件的引入降低了传动机构阻抗上限,增强了对外界环境的顺应能力。为了提高SEA速度控制精确度,提出采用BP神经网络控制的方法,通过补偿负载的重力等非线性特性,以实现基于SEA力矩控制模式下的稳定速度控制。实验结果验证了驱动器良好的速度跟随性和顺应性,实现了与环境之间的安全交互。这类驱动器在腿式机器人、外骨骼机器人和工业机械臂中有着良好的应用前景。

基于RISE反馈的串联弹性驱动器最优控制方法

串联弹性驱动器(Series elastic actuator, SEA)是机器人交互系统中的一种理想力源.本文针对非线性SEA的力矩控制问题提出一种基于RISE (Robust integral of the sign of the error)反馈的最优控制方法,能够克服模型参数不确定和有界扰动,实现SEA输出力矩在交互过程中快速平稳地收敛到期望值.具体来说,首先对SEA的模型进行分析和变换;然后假设模型参数和扰动均已知,并在此基础上基于二次型指标设计最优控制律;之后基于RISE反馈重新设计控制律抵消模型参数不确定性和有界扰动,基于Lyapunov理论分析控制器的收敛性和信号的有界性,实验结果表明这种基于RISE反馈的最优控制方法具有良好的控制性能和对有界扰动的鲁棒性.

面向交互应用的串联弹性驱动器力矩控制方法

对于串联弹性驱动器(Series elastic actuator,SEA)而言,已有方法大都将其弹性组件视为线性弹簧.然而为了追求更高的能量密度,SEA的机械结构越来越复杂,使其控制问题更具挑战性;此外,现有方法均未考虑当SEA应用于交互系统中,其负载端动力学模型会产生剧烈变化的情况.针对这些问题,本文设计了一种面向交互应用的自适应滑模控制方法.具体而言,首先在考虑了非线性SEA输出特性及系统中可能存在的扰动的情况下,描述了SEA系统的动力学方程,并对其进行了分析和变换.在此基础上设计了负载运动观测器和自适应滑模控制器,使得本文方法能够在负载端动力学模型完全未知的情况下完成SEA的力矩控制.最后通过引入辅助系统,对输入饱和的情况进行了有效的处理.通过理论分析证明了闭环控制系统的稳定性及信号有界性,随后的仿真与实验结果也表明了这种自适应滑模控制器良好的控制性能和对不确定性因素的鲁棒性.

基于串联弹性驱动器的并联柔顺手腕的设计

通过分析人体腕关节的组织结构和运动特性,设计了具有柔顺性的3SPS-1S并联机器人手腕机构.3条移动副支链作为驱动,在驱动支链中加入串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,SEA)来实现并联机器人手腕的柔顺性.建立了3SPS-1S并联机构的运动学逆解,推导雅可比矩阵,提出了确定SEA弹簧刚度的方法;基于位置补偿思想,实现柔顺手腕的位姿控制.通过实验验证了该机构对未知负载具有被动柔顺性,通过主动柔顺控制可以实现更高的主动柔顺性.

串联弹性驱动器的控制策略应用于工业机器人

为提高工业机器人的控制及示教水平,首先设计串联弹性驱动器关节机械臂零力控制系统和比例-积分-微分(proportion integration differentiation,PID)位置控制系统,然后搭建MATLAB仿真系统,最后采用串联弹性驱动器力跟踪实验的方法,研究了串联弹性驱动器关节机械臂零力控制系统的正确性和控制算法的可行性。结果表明:设计的机器人零力控制系统和控制策略能够提高机器人的柔顺性和控制效率。可见,基于力/位置混合的驱动控制方法,在实现机器人在到达指定位置的同时,能够提高机器人示教水平。

有限频域约束下串联弹性驱动器的刚度控制

工程实际中的被控对象都具有明显的有限频域特性,但目前的物理人机交互研究大多是针对全频域性能指标来设计阻抗控制器,由此得到的控制器往往失之保守.本文针对绳牵引串联弹性驱动下的人机物理交互问题,采用有限频域性能约束方法来提升系统在设定频段的刚度控制性能.首先,分析绳牵引串联弹性驱动的刚度控制目标并将其转化成有限频域性能约束下的H∞控制问题.其次,根据广义Kalman-Yakubovich-Popov (KYP)引理,将有限频域性能约束转化成矩阵不等式条件,进而分解变换成有关全信息控制器和待求的静态输出反馈控制器的条件.然后,求解出一个满足条件的全信息控制器,并迭代优化得到输出反馈控制器.仿真和实验结果都表明,本文方法在设定频段取得了更加精确的刚度控制效果.

助行腿膝关节的串联弹性驱动器系统设计

为了提高人机互动机器人的舒适性及安全性,设计了一种具有零阻抗的精确力控制驱动系统—串联弹性驱动器,作为助行腿膝关节的驱动系统。为了能够精确输出期望力矩,在电机与人体关节之间串联了扭簧,并通过控制弹簧变形量控制力矩输出。当期望输出力矩为零时,需要过对驱动系统的摩擦及惯性进行补偿,从而使电机与人体关节一起运动,不会造成人体运动时的阻碍。采用反馈及前馈控制方法精确控制系统输出力矩,此外,针对人机系统在互动过程中物理特性的时变性,设计了扰动观测器以增加系统的鲁棒稳定性性。最后通过MATLAB仿真验证了控制策略的有效性。

串联弹性驱动器的设计及力矩控制研究

为了改善机器人在人机交互过程中力矩柔顺性问题,对机器人关节中的串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,SEA)进行了改进,从而提高了SEA驱动器中弹性体受力与变形的线性特性。在力矩控制器的设计中,采用了基于数据驱动控制的无模型自适应控制算法(MFAC),并利用BP神经网络算法实现控制器参数的在线自整定。该数据驱动控制算法在不需要建立受控系统精确数学模型的情况下,即可实现串联弹性驱动器(SEA)的力矩控制。既简化了控制器设计的难度,避免了机器人关节建模的复杂性和未建模的动态误差,又提高了控制系统对负载扰动的鲁棒性。为了验证控制方法的有效性,对SEA驱动器进行仿真分析。仿真结果验证了所设计的控制方法对SEA力控具有良好的跟随性,能够实现机器人与人、环境之间的安全物理交互。

针对串联弹性驱动器抖动抑制的轨迹规划和跟踪控制

针对串联弹性驱动器(Series elastic actuator,SEA)的位置控制问题,本文提出了一种"规划+控制"的策略.首先根据连杆端运动学约束方程,基于数字滤波器对电机位置进行轨迹规划;为了使电机能够准确跟踪期望轨迹,根据电机端的动力学模型设计位置跟踪控制器.理论分析证明了规划的抖动抑制作用和跟踪控制系统的稳定性,随后的实验结果也表明了这种"规划+控制"方法在使连杆到达期望位置的前提下,能够有效地抑制残余抖动.

基于串联弹性驱动器的柔顺机械臂设计与仿真

基于串联弹性驱动器(SEA)提出了一种三自由度柔顺机械臂的设计方案,用来模拟人手臂的运动,提高其对环境的适应力,实现良好的柔顺性。利用三维造型软件Inventor建立了三自由度柔顺机械臂的三维模型;针对柔顺机械臂关节提出了一种具有拮抗形式的弹性驱动方法,采用主动驱动弹簧和被动约束弹簧构成柔性张拉弹簧组合,以模拟肌肉-肌腱组织的收缩运动;通过动力学仿真软件Adams进行了驱动仿真分析和静动态冲击实验,结果表明在受到冲击时,柔性关节可以产生较大的柔性转角并快速衰减到稳定的运动状态,证明了该机械臂可以有效减小冲击,具有良好的柔顺性。

串联弹性驱动器内嵌扭矩传感器的研究

针对串联弹性驱动器(SEA)的优点和特性,对SEA系统的扭矩传感器进行了研究,提出了一种扭矩传感器的设计方法,并对SEA系统进行了整体设计。首先分析了现有的SEA扭矩传感器发展现状,选择轮辐式结构作为传感器设计方案;然后利用静力学方法计算了协作机器人关节受力情况,提出了扭矩传感器设计指标;结合空间限定条件以及材料力学特性提出了传感器弹性体的参数化设计方法,得到了传感器关键尺寸参数,利用Solidworks建立了传感器三维模型并利用ANSYS进行了有限元分析;最后对关键零件进行了选型,提出了一种SEA系统的整体设计方案。研究结果显示,扭矩传感器强度高、体积小;SEA系统结构设计合理,装配工艺性能良好。

下肢助行外骨骼髋关节串联弹性驱动器弹性单元优化设计研究

目的串联弹性驱动器是下肢助行外骨骼实现刚柔耦合的重要途径,其弹性单元的设计优劣直接决定了刚柔耦合性能的高低,研究一种应用于下肢助行外骨骼髋关节部位的扭转型串联弹性驱动器弹性单元优化设计方案。方法设计一款针对髋关节部位的特定环形弹性体。选择500~1 000 N·m/rad的刚度作为设计目标,弹性体在加载50 N·m扭矩时变形量定在5°以下,单片承载的设计。结合连接的谐波减速器外形尺寸,弹性元件的具体设计参数为:最大扭矩50 N·m,最大偏转3°,外圈直径69 mm,内圈直径20 mm,刚度954.93 N·m/rad。通过正常人体髋关节扭矩分析,确定髋关节弹性体技术指标,基于SolidWorks建立所设计弹性体三维模型,在ANSYS WORKBENCH中对弹性体厚度、单组弹性梁跨度、弹性梁宽度进行仿真优化。结果取安全系数为1.2,最大应力在1 100 MPa以下时,最终优化分析计算结果为t=13.89 mm,b=1.79 mm,α=88.3°。在该条件下,当输出扭矩为50 N·m时,弹性元件所受到的最大应力、最大柔性转角分别为1 060 MPa、3.049 3°,认为其满足设计要求。得到基于所建模型施加不同扭矩时得到的扭转角度。在等梯度不同扭矩的作用下,弹性体的柔性转角和对应的负载扭矩具有很好的线性关系,在不同负载下其刚度是一致的。由胡克定律k=T/θ,可得弹性元件刚度为:k=939.49 N·m/rad,符合预先设计目标。结论所得扭矩与扭转变形角度在MATLAB中用最小二乘法拟合,其刚度曲线呈线性,证明了仿真优化方案的可行性。

串联弹性驱动器设计、建模及在机器人上的应用

相比于传统的刚性驱动器,串联弹性驱动器(Series elastic actuator,SEA)具有被动柔顺性、阻抗低、抗冲击、力感知等诸多优点,因而已被广泛应用于各种机器人系统中.首先根据弹性和阻尼特性将串联弹性驱动器分为弹性型、阻尼型和弹性-阻尼型串联弹性驱动器,介绍不同类型串联弹性驱动器的优缺点,并详细概述弹性和阻尼特性的机械实现方式;然后对各类串联弹性驱动器作为力传感器的建模方法进行介绍;接着叙述串联弹性驱动器在机器人系统中的主要应用,如力传感器、安全保护、降低能耗;最后展望串联弹性驱动器未来的发展方向.

手指康复机器人串联弹性驱动器的设计与仿真

为了实现手指康复机器人的串联弹性驱动器的可靠输出,建立了该串联弹性驱动器的动力学模型,得到了开环传递函数和闭环传递函数,通过Nyquist(奈氏)和Bode(伯德)图对系统的稳定性进行了分析。最终使用Simulink软件对动力学模型进行了仿真,得到了该系统在不同的弹性系数下的阶跃与正弦的跟踪响应。仿真结果表明,该驱动器模型在特定的弹性系数范围内输出很稳定。

一种串联弹性驱动器弹性体的设计

串联弹性驱动器是在驱动元件和被控对象之间串联弹性体,使得驱动器具有一定的柔性特征。串联弹性驱动器在机器人关节中具有广泛应用。例如,在柔性下肢外骨骼机器人中,串联弹性驱动器是实现人机刚柔耦合的重要结构。以柔性下肢外骨骼机器人髋关节为例进行拓扑结构分析,并利用SolidWorks进行三维建模及ANSYS有限元分析仿真进行设计对比;利用Matlab神经网络工具箱,设计以弹性体最大位移和外圈扭转角度为输出矩阵的BP神经网络;以安全系数为目标进行优化设计,得到最佳变量矩阵设计方案;利用有限元仿真与实验数据在Matlab中进行扭矩与扭转角度变量拟合,验证弹性体的稳定性与设计方案的可行性。

一种基于串联弹性驱动器的柔顺机械臂设计

为了应对工作环境的动态变化以及人机交互的不确定性,设计了基于被动柔顺结构和主动柔顺控制的柔顺机械臂Soft Arm II.在关节电机和连杆之间加入串联弹性驱动器(SEA)传动模块,SEA传动模块由线弹簧周向均布构成;建立了3DOF柔顺机械臂的运动学/动力学模型以及系统刚度模型,基于系统刚度模型提出工作空间典型位姿下关节刚度加权平均的SEA弹簧刚度确定方法;柔顺机械臂采用位置PID(比例-微分-积分)控制,并通过监控末端接触力和关节力矩适时修改指令轨迹.在柔顺机械臂Soft Arm II上执行了自由空间中的圆形轨迹跟踪、人机直线对推和碰撞模拟实验,结果显示,Soft Arm II在自由空间中具有较好的轨迹跟踪性能,能够实现与操作者的柔顺交互以及对碰撞的安全避让.基于SEA的被动柔顺结构设计以及基于末端力和关节力矩监控的控制策略能够满足人机共存环境对机械臂柔顺性及安全性的要求.

一种面向交互应用的串联弹性驱动器有限时间输出反馈控制方法

串联弹性驱动器(SEA)被广泛地应用于机器人与环境、机器人与人的交互场景中,针对这种交互应用,本文提出了一种新型的有限时间输出反馈控制策略(FTOFC),保证SEA的输出力矩在交互过程中能够快速达到期望值/轨迹.具体而言,首先对SEA的动力学模型进行了分析和变换;其次,基于有限时间控制理论,设计了有限时间扩张状态观测器和2阶滑模控制器,将两者结合实现了一种有限时间输出反馈控制策略,并对闭环系统的稳定性及信号有界性进行了严格的理论分析.相比于已有方法,本文方法有以下3个方面的优势:1)本文的控制方法适用于非线性SEA,更具有通用性;2)本文方法基于有限时间控制理论,具有更优的暂态响应性能;3)本文控制方法充分考虑了交互过程中负载端动力学可能会发生剧烈变化的情况,更适用于交互应用.为了验证以上3点,在自主搭建的单关节SEA交互机器人平台上进行了实验验证并与传统的级联PID方法进行了对比,结果表明本文设计的控制器能取得更好的控制效果,并且对外界干扰具有很强的鲁棒性.

渐开线齿面串联弹性器件传动机理研究

串联弹性器件广泛应用于外骨骼机器人驱动关节,有利于重载荷情况下的电机软启动。针对旋转类串联弹性器件转动刚度变化引起的传动力矩波动,弹性传动和刚性传动两种状态转换时的传动冲击等问题,提出了一种渐开线齿面弹性器件,建立了传动力学模型,并对器件的弹性-刚性传动过程进行了动力学分析与仿真,研究轴心装配偏差对渐开线齿面啮合滑动率与接触面接合冲击的影响,通过对弹性器件安装倾角参数优化保证了传动件转动刚度变化率最小,有效控制了弹性传动过程中的转矩波动。最后对器件进行了下肢外骨骼驱动关节工程验证和传动静特性实验,结果表明,轴心装配偏差会导致接触面接合时转矩激增,当偏差在0.05 mm内时(渐开线齿面啮合滑动率最大为0.006 5),与平面矩形弹性器件相比,转矩激增值平均降低43.55%。