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.

基于SEA柔性驱动的动力学模型频域特性研究

为提高康复机器人工作中的柔顺性,分别建立基于位置源及力源驱动的两种串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,SEA)的动力学模型,分析其各自稳定性。为逼近人体肌肉变刚度特点,将弹簧与阻尼器并联作为弹性组件,经Laplace(拉普拉斯)变换得到两种SEA的开、闭环传递函数,用频域分析得到各自奈氏图(Nyquist图)和伯德图(Bode图)及频域指标,以改变弹簧刚度ks、阻尼系数cs来分析系统稳定性和快速性。结果表明:在稳定性方面,力源>位置源;ks和cs的变化不仅显著影响SEA稳定性,也影响其力输出带宽和幅、相频特性。

SEA模型的参数全局灵敏度分析

为了定量探究串联弹性驱动器(SEA)系统阻抗和力输出带宽的参数全局灵敏度,本文利用基于方差分解的Sobol方法,计算不同取值下的弹簧刚度、阻尼和质量对SEA的输出力的带宽以及系统阻抗的全局灵敏度,并通过分析灵敏度计算结果的收敛性,验证了灵敏度分析结果的可靠性。研究结果表明:在不同工作频率下,弹簧刚度、阻尼和质量对于SEA的输出力带宽以及系统阻抗大小影响各不相同,且三者对所求目标函数具有交互影响的作用;系统阻尼和质量对于输出力带宽以及系统阻抗大小的影响均远大于弹簧刚度的影响,这表现在系统阻尼和质量对上述所求目标函数的总阶灵敏度在任何频率下均约为弹簧刚度的总阶灵敏度的3~4倍;对于参数的采样,当采样个数小于5000时,Sobol指数波动较大,当采样个数为5000时,既能节约计算开支又能获得可靠的Sobol参数。

救援机器人柔性关节的设计与稳定性分析

为了提高救援机器人在非结构环境中的顺应能力,引入传动机构等效质量的概念,考虑电机内部阻尼对弹性驱动器动力学模型的影响,建立了基于力源驱动的串联弹性驱动器动力学模型。采用PID单位负反馈的控制方式,通过Laplace变换得到系统的开环传递函数与闭环传递函数,运用Nyquist判据与Bode图分析了系统的稳定性。通过仿真实验,得到了系统的阶跃信号跟踪响应。仿真结果与频域特性分析结果对比,验证了救援机器人柔性关节结构设计的合理性与稳定性。

刚度和等效质量对SEA能量放大特性的影响

对简单的SEA(series elastic actuator)模型采用解析法求解,得出了驱动器输出能量曲线,分析了其能量放大特性,解决了Paluska的SEA能量分析的无解析解问题.并针对Paluska分析中对动力学模型的过度简化,引入了传动机构的等效质量的概念,完善了SEA的能量放大作用模型.为了便于求解和分析,对SEA能量放大模型各参数进行归一化处理,并在归一化条件下通过频域转换方式进行数值求解,得出该条件下的驱动器输出能量曲线,从而得到了该模型下的SEA能量放大特性及其随系统参数(弹簧刚度、传动机构等效质量)的变化规律.

具有柔性关节的四足机械腿设计与分析

为解决四足机器人驱动单元功率密度低的问题,借助串联弹性机构的能量放大作用,设计出一款具有串联弹性、适用于四足机器人腿部构型的电驱动柔性关节,并据此柔性关节设计制作了具有柔性特性的四足机器人单腿样机.为研究柔性机械腿能量运用情况,提出一种简化的柔性单腿跳跃模型,对单次跳跃过程中从屈膝静止到跳离地面过程建立了运动学微分方程,应用解析法进行求解,分析了串联弹性能量放大作用在足式机器人中的应用,同时通过分析驱动单元功率曲线,揭示了能量放大实现机理.利用足式机器人单腿垂直跳跃实验平台完成单腿样机跳跃过程的初步实验,验证了柔性在四足机械腿中的能量放大作用.