机器人变阻尼柔顺驱动关节设计

为解决传统机器人柔顺关节存在的振动及控制精度低的问题,利用流体节流原理设计了一个新型变阻尼柔顺驱动关节,以便调节运动过程中系统的动态性能,实现振动抑制。该驱动关节在传统柔顺驱动器的基础上,并联设置一个粘滞阻尼可调模块;通过曲柄滑块机构遮挡液压节流孔的通流面积,从而改变关节系统输入端与输出端之间的阻尼系数;推导变阻尼模块和完整驱动关节的数学模型,给出变阻尼柔顺关节的控制器结构,并进行仿真和实验验证。结果表明:该机器人变阻尼柔顺驱动关节能够在不降低响应速度的情况下减少振动,当取合理阻尼值时关节可在0.5s内达到稳定值,且响应超调量减少50%以上。

变刚度柔顺驱动器及其在能量辅助骨骼服中的应用

能量辅助骨骼服是一种典型的人机交互系统,用于辅助人体进行能量放大,已经成为近十年来国内外研究的热点,但目前在骨骼服的安全性、能量效率和辅助效率等方面研究普遍不足。文章综合归纳了柔顺驱动器和变刚度柔顺驱动器的一些基本概念,分析了几种变刚度柔顺驱动器的特点及应用,并得到结论:变刚度柔顺驱动器具有最大限度的吸收冲击力、安全地与用户交互、内置被动弹性元件从而具有储存和释放能量的能力等特点。因此,在骨骼服系统中,应用变刚度柔顺驱动器已成为骨骼服发展的必然趋势。最后,指出了变刚度柔顺驱动器在骨骼服应用中的研究方向。

振动基柔顺驱动打磨机器人的力/位混合控制研究

针对柔顺打磨机器人在移动作业过程中,在基础振动、柔性振动与环境接触力耦合作用下非线性控制问题,提出一种新型鲁棒轨迹跟踪力/位混合控制策略。使用第二类拉格朗日法建立柔顺机械臂的动力学方程,通过奇异摄动法将上述系统分为快、慢2个时间尺度的子系统。慢变子系统对系统刚性部分采用力/位混合控制方法,其中力控制采用PID控制,位置控制采用基于神经网络的鲁棒控制。快变子系统对系统柔性部分采用速度差反馈法进行控制。结果表明:利用所提出的控制策略,机械臂末端的轨迹跟踪效果较好且打磨力保持稳定,对非线性振动有较好的抑制效果。

基于给定非线性刚度的柔顺驱动器设计及性能评估

安全的人机交互和适应环境的仿生运动都要求机器人关节具有柔顺性。为了解决现有被动型柔顺驱动器存在的对不同外负载适应性弱、需要额外的刚度调节电机以及刚度与负载不匹配等问题,设计了一种新型非线性刚度柔顺驱动器,采用“凸轮+扭簧”机构结合齿轮传动,可实现给定的双向非线性刚度。首先,介绍了非线性刚度机构的工作原理、凸轮有效轮廓曲线的计算方法以及非线性刚度柔顺驱动器的工作原理;其次,基于提出的双向非线性刚度机构设计了柔顺驱动器样机;最后,对所设计的柔顺驱动器进行了性能评估。通过对样机刚度特性的仿真和试验分析,验证了所设计的柔顺驱动器能够较好地按给定的非线性刚度特性曲线进行刚度调节;通过与相近的驱动器的对比,表明所设计的柔顺驱动器具有优良的综合特性;通过对具有不同力矩峰值和频率的正弦力矩信号的跟踪试验,初步验证了所设计的柔顺驱动器具有良好的力矩控制性能。研究结果表明所提出的设计方法有效,可为机器人关节驱动器的设计提供新思路。

基于力反馈的液压柔顺驱动器补充能量控制

在大型足式机器人的驱动系统中,使用液压柔顺驱动器进行补充能量控制可以极大地提高机器人的续航能力,因此具有很强的实用价值。首先通过扫频的方式分别得到驱动器输出端空载状态位置频率特性曲线和输出端静止状态力频率特性曲线,然后通过MATLAB的ident系统辨识工具箱进行模型辨识得到较准确的驱动器数学模型。基于上述模型采用自抗扰力控制器,实时估计扰动及对其进行有效的补偿,取得了较好的力控制效果,进而通过力控制将液压缸等效为变刚度弹簧。建立液压柔顺驱动器中液压能、驱动器能量和热能三种能量的动态模型,并对简化运动过程中三种能量之间的转换规律进行分析。基于变刚度策略对运动过程进行了补充能量控制,提高了能量使用效率。不同负载质量和不同液压缸刚度情况下的水平方向运动试验结果验证了上述控制策略的有效性。

振动基柔顺弹药传输机械臂的鲁棒跟踪控制

弹药传输机械臂是坦克自动装弹机系统中的重要组成部分,其易受到坦克车体振动而与炮尾发生碰撞,导致机械臂的工作可靠性变差;引入柔顺驱动能在碰撞时起到缓冲作用,但会引起机械臂的柔性振动,并与车体振动相互耦合,导致跟踪精度降低。针对基础振动以及柔顺特性带来的柔性振动、且具有惯量变化影响下的弹药传输机械臂的轨迹跟踪问题,运用奇异摄动理论引入双时间尺度,将复杂系统降阶解耦,分解为彼此独立的快变子系统和慢变子系统并分别设计控制器进行控制。针对慢变子系统,将基础振动和惯量变化转化为不确定干扰项,采用抗干扰能力较强的神经网络鲁棒控制对机械臂进行轨迹跟踪控制;针对快变子系统,利用速度差值反馈控制器对柔性振动进行抑制。仿真验证了所提出控制算法的鲁棒性,以及对柔性振动的抑制能力。

基于负载选择的非线性刚度驱动器性能评价

恒定刚度的串联弹性驱动器(SEA)的控制性能受刚度的限制,存在着系统安全性与带宽之间的矛盾.可变刚度驱动器(VSA)在一定程度上解决了高安全性与高控制带宽之间的矛盾,但其采用的刚度调节电机增加了结构的复杂性.基于"小负载,低刚度;大负载,高刚度"的人机交互策略的负载选择的非线性刚度驱动器(LDNSA)是一种新的具有良好应用前景的驱动方案.通过Simulink仿真和试验探讨了LDNSA在不同的刚度区间(不同的负载条件)的力矩控制性能,并与不同刚度的SEA的控制性能进行了比较分析.结果表明:与SEA相比,虽然LDNSA的力矩响应平稳性比低刚度的和高刚度SEA差,但LDNSA在负载较小时具有高安全性的同时依然能保证高的控制带宽,而负载较大时,LDNSA的控制带宽更高且力矩响应平稳性能增强.

干扰观测器在一种非线性刚度驱动器中的应用

基于"小负载,低刚度;大负载,高刚度"的非线性刚度驱动器(NSCA)优化了可变刚度驱动器(VSA)的工作区间,具有交互力小时力分辨率高,交互力大时响应速度快的优点。但在复杂的人机交互控制过程中,由于难以对干扰和噪声建立准确的数学模型,故而严重影响到系统的控制精度。因此,本文利用基于观测估计干扰并实施补偿的干扰观测器(DOB)解决非线性刚度驱动器的此类问题。首先,根据非线性刚度驱动器动力学模型建立了控制系统状态方程以及干扰观测器,利用李雅普诺夫方法分析系统稳定性并给出了稳定条件;然后,根据该稳定条件将干扰观测器算法应用于非线性刚度驱动器控制系统中得到实验数据。最后,实验结果表明,采用干扰观测器算法将非线性刚度驱动器在阻抗控制模式下的刚度误差降低了85.71%,大幅度提高了驱动器控制精度。

下肢外骨骼机器人柔顺特性的研究进展

下肢外骨骼机器人是旨在帮助患有步行障碍的人重新获得腿部和关节的力量,以实现站立和行走等功能的可穿戴设备。与包含刚性机构的传统机器人相比,具有柔顺特性的下肢外骨骼机器人能在被动式弹性元件中储存和释放能量,同时最大限度地减少由于冲击引起的反作用力,提高人机交互的安全性。本文从驱动柔顺和关节柔顺两方面对下肢外骨骼机器人柔顺特性进行综述,分类介绍增强型、辅助型、康复型下肢外骨骼机器人,并对该领域未来发展趋势进行展望。

主动减振并联机构模态分析

为了缓解在运输过程中由于路面颠簸、加减速、急转弯等对病人造成的不舒适,提出了一种基于柔顺驱动的减振平衡并联机构。该机构综合利用了主动减振与被动减振的特点,对于低频大振幅信号利用伺服运动实现主动减振,而对于高频小振幅振动信号则利用柔顺单元的被动减振特性实现抑振。并利用等效质量法对系统进行了模态分析。仿真结果显示,对于20 Hz以上的线振动信号利用柔顺单元的被动特性可以实现20 d B的衰减。