康復機器人用彈性驅(qū)動器結(jié)構(gòu)及力控制系統(tǒng)設(shè)計研究.pdf

1、串聯(lián)彈性驅(qū)動器（Series Elastic Actuator,SEA）作為康復機器人的動力源,可以達到柔性驅(qū)動的目的,決定著整個康復機器人的柔順性和安全性。本論文針對目前傳統(tǒng)剛性驅(qū)動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)計出了一種變剛度活塞式SEA及其力控制系統(tǒng)，最后運用虛擬樣機技術(shù)對上述部分結(jié)論進行驗證。具體研究內(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)康復機器人的工作要求和人體肌肉的剛度加強型特征，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樣機方案；并對傳統(tǒng)SEA和活塞式SEA在緊湊性方面進行比較，并在受徑向或軸向載荷時進行了有限元強度分析，得出活塞式變剛度SEA具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力較強、環(huán)境適應性強等特點。
　　其次，以單剛度SEA力學模型為研究對象，根據(jù)兩種基本控制策略如位置源和力源，分別進行了開環(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、參量對系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性以及驅(qū)動帶寬的影響；最后對雙串聯(lián)SEA和單剛度SEA的抗沖擊性能進行頻域比較分析。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在高頻信號沖擊時，比單剛度SEA具有更強的抗沖擊性能。
　　然后，以肘關(guān)節(jié)為例，根據(jù)不同工況建立了SEA系統(tǒng)的動力學模型，經(jīng)簡化分析后提出了控制方案，并設(shè)計了干擾反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)；考慮外界擾動，對比分析系統(tǒng)的階躍響應變化情況；對干擾觀測器的可行性以及帶有干擾觀測器的

4、SEA力控制系統(tǒng)的響應能力進行了證明。所得結(jié)果證明了此系統(tǒng)具備很強的抗干擾性能，能快速響應輸入且精度較高。這些數(shù)學模型為設(shè)計實際的物理環(huán)節(jié)，構(gòu)建真實的力伺服控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
　　最后，通過Adams和matlab/simulink進行聯(lián)合仿真，搭建了SEA虛擬樣機仿真平臺，驗證了力源控制模型兩大特性（力輸出特性和輸出阻抗），并對SEA驅(qū)動端速度/位移跟隨特性進行分析。與直接做物理樣機實驗相比，虛擬樣機技術(shù)節(jié)約成本，為SEA的力