【摘要】：可變剛度關(guān)節(jié)的固有被動柔順性和關(guān)節(jié)輸出剛度的可調(diào)整性可以提高機(jī)器人的任務(wù)適應(yīng)性,能效性,魯棒性和人-機(jī)物理交互安全性。依靠改變杠桿樞軸位置來調(diào)整關(guān)節(jié)輸出剛度的串聯(lián)配置可變傳遞率型可變剛度關(guān)節(jié)具有關(guān)節(jié)剛度調(diào)整能耗小的優(yōu)點(diǎn),而且在理論上可具有從零到無窮的關(guān)節(jié)輸出剛度可調(diào)整范圍。然而,受杠桿樞軸位置可移動范圍的機(jī)械限位約束,現(xiàn)有的該類型的可變剛度關(guān)節(jié)往往存在關(guān)節(jié)輸出剛度可調(diào)整范圍有限的問題,且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面有待優(yōu)化和改進(jìn)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化程度高、關(guān)節(jié)輸出剛度可調(diào)整范圍更寬的串聯(lián)配置可變傳遞率型可變剛度關(guān)節(jié)將有利于提高該類型可變剛度關(guān)節(jié)的任務(wù)適應(yīng)性及碰撞安全性。與可變傳遞率型可變剛度關(guān)節(jié)相比,盡管拮抗型可變剛度關(guān)節(jié)在調(diào)整關(guān)節(jié)輸出剛度時(shí)所消耗的能量較多,但拮抗型可變剛度關(guān)節(jié)具有非線性彈性單元可模塊化設(shè)計(jì)、變剛度機(jī)構(gòu)實(shí)施簡單、輸出軸無附加轉(zhuǎn)動慣量、空間安裝結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)�，F(xiàn)有的拮抗型可變剛度關(guān)節(jié)大多存在非線性彈性單元體積較大,關(guān)節(jié)體積較大,輸出軸轉(zhuǎn)角范圍受限或關(guān)節(jié)柔順度較低等問題。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、柔順度高、關(guān)節(jié)輸出剛度控制方法簡單及輸出軸轉(zhuǎn)角范圍不受限制的拮抗型可變剛度關(guān)節(jié)將有利于構(gòu)建基于拮抗型可變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動的多自由度機(jī)械臂系統(tǒng)�？紤]到可變剛度關(guān)節(jié)的系統(tǒng)動力學(xué)模型中可能存在的模型參數(shù)不確定性、未知摩擦扭矩、未知外部干擾以及輸入飽和約束,設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)可變剛度關(guān)節(jié)的輸出連桿角位置和關(guān)節(jié)輸出剛度跟蹤控制的魯棒控制方案是非常必要的。干擾觀測器和線性擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器是兩種能夠有效處理干擾的方法,而目前基于這兩種干擾處理方法來實(shí)現(xiàn)可變剛度關(guān)節(jié)的魯棒跟蹤控制的相關(guān)研究很少。因此,針對可變剛度關(guān)節(jié)的位置和剛度的跟蹤控制問題,有必要基于這兩種干擾處理方法來設(shè)計(jì)新的魯棒控制方案并考慮輸入飽和約束、輸入飽和補(bǔ)償以及估計(jì)誤差補(bǔ)償以降低系統(tǒng)輸出跟蹤誤差。本文以設(shè)計(jì)新的可變剛度關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案和設(shè)計(jì)新的可實(shí)現(xiàn)可變剛度關(guān)節(jié)的同時(shí)的位置和剛度跟蹤的魯棒控制方案為研究目標(biāo),研究內(nèi)容如下。(1)借鑒現(xiàn)有的具有較好的力傳遞特性的彈簧安裝結(jié)構(gòu)型式機(jī)械設(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、裝配體模塊化程度高以及杠桿樞軸位置可移動范圍更寬的彈性輸出模塊。借鑒現(xiàn)有的依靠改變樞軸位置來調(diào)整關(guān)節(jié)輸出剛度的串聯(lián)配置可變傳遞率型可變剛度關(guān)節(jié)的變剛度機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,結(jié)合所設(shè)計(jì)的新的彈性輸出模塊,展示了三種具有串聯(lián)配置結(jié)構(gòu)型式的可變傳遞率型可變剛度關(guān)節(jié)的機(jī)械設(shè)計(jì)方案。與現(xiàn)有的該類型可變剛度關(guān)節(jié)相比,所設(shè)計(jì)的可變傳遞率型可變剛度關(guān)節(jié)的彈性輸出模塊具有更好的力傳遞特性,關(guān)節(jié)輸出剛度的可調(diào)整范圍更寬,且在機(jī)械設(shè)計(jì)中兼顧了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊性設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)。為設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)輸出剛度控制方便的可變傳遞率型可變剛度關(guān)節(jié),基于絲桿螺母機(jī)構(gòu)和連桿滑塊組設(shè)計(jì)了一種新型的可調(diào)力臂長度的等效杠桿機(jī)構(gòu),基于該變剛度機(jī)構(gòu)的可變剛度關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)輸出剛度僅與等效杠桿機(jī)構(gòu)的力臂長度有關(guān),而與關(guān)節(jié)角度偏差和外部負(fù)載無關(guān),關(guān)節(jié)輸出剛度的控制方法簡單。為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)施的等效非線性彈簧,提出了兩種基于線性彈簧組的近似二次型非線性彈簧的機(jī)械設(shè)計(jì)方案,并基于所設(shè)計(jì)的近似二次型彈簧設(shè)計(jì)了兩種具有串聯(lián)配置結(jié)構(gòu)型式的彈簧預(yù)緊型可變剛度關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)方案,近似二次型彈簧組的應(yīng)用有利于該類型可變剛度關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)輸出剛度的測量和控制。(2)為設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、柔順度高、輸出軸轉(zhuǎn)角范圍不受限制的拮抗型可變剛度關(guān)節(jié),提出了一種具有期望的扭矩-角位移關(guān)系且計(jì)算方法簡單的等效非線性扭簧機(jī)械設(shè)計(jì)方案。考慮到結(jié)構(gòu)緊湊、關(guān)節(jié)輸出剛度易于控制的拮抗型可變剛度關(guān)節(jié)被用于構(gòu)建多自由度機(jī)械臂的可能性及機(jī)械臂的肩關(guān)節(jié)、上臂關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、前臂關(guān)節(jié)的不同致動需求和設(shè)計(jì)要求,分別設(shè)計(jì)了四種類型的等效二次型扭簧,并構(gòu)建了四種類型的具有旋轉(zhuǎn)自由度和擺動自由度的拮抗型可變剛度關(guān)節(jié),具體為:1)機(jī)械臂肩關(guān)節(jié)(基座關(guān)節(jié))應(yīng)具有柔順度高和穩(wěn)定性高的特點(diǎn),為此,設(shè)計(jì)了具有大角位移范圍的等效二次型扭簧,并設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)型式的摩擦阻尼器以降低拮抗型可變剛度關(guān)節(jié)輸出軸轉(zhuǎn)動過程中可能出現(xiàn)的振動。2)機(jī)械臂的上臂關(guān)節(jié)應(yīng)具有較高的彈性致動扭矩、較小的徑向結(jié)構(gòu)尺寸及緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為此,基于小尺寸線性壓縮彈簧組和具有兩個(gè)升程輪廓的空間圓柱凸輪-滾子機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)緊湊、徑向尺寸小、彈性致動扭矩大的等效二次型扭簧,并構(gòu)建了相應(yīng)的拮抗型可變剛度關(guān)節(jié)。3)機(jī)械臂的肘關(guān)節(jié)應(yīng)注重輕量化設(shè)計(jì)(提高機(jī)械臂末端關(guān)節(jié)的有效負(fù)載)和運(yùn)動穩(wěn)定性(提高末端關(guān)節(jié)的運(yùn)動精度),應(yīng)具有擺動自由度且避免持續(xù)的消耗能量以維持關(guān)節(jié)輸出剛度。為此,在等效二次型扭簧的設(shè)計(jì)中直接采用線繩來壓縮彈簧以降低其重量和結(jié)構(gòu)尺寸,并采用具有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)來傳遞動力以避免持續(xù)的消耗能量來維持關(guān)節(jié)輸出剛度,并對擺動型肘關(guān)節(jié)加入摩擦阻尼器以提高其運(yùn)動穩(wěn)定性。4)機(jī)械臂的前臂關(guān)節(jié)應(yīng)具有緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和較高的彈性致動扭矩。為此,在等效二次型扭簧的設(shè)計(jì)中采用多組小尺寸線性壓縮彈簧以降低其徑向結(jié)構(gòu)尺寸,并對平面槽型凸輪設(shè)計(jì)了兩個(gè)單向升程輪廓以提高等效二次型扭簧的最大彈性致動扭矩。(3)考慮可變剛度關(guān)節(jié)的系統(tǒng)動力學(xué)模型中可能存在的模型參數(shù)不確定性,未知有界的摩擦扭矩以及未知有界的外部干擾,設(shè)計(jì)了基于反饋線性化和具有抗輸入飽和措施的干擾觀測器的可變剛度關(guān)節(jié)跟蹤控制器。仿真結(jié)果展示了所設(shè)計(jì)的控制器的有效性、魯棒性和良好的適用性。首先,利用坐標(biāo)變換和反饋線性化,將包含復(fù)合干擾的非線性系統(tǒng)狀態(tài)空間模型變換為具有集總干擾的線性系統(tǒng)模型�？紤]到輸入飽和約束對干擾觀測器的干擾估計(jì)性能的影響,設(shè)計(jì)了針對干擾觀測器的抗輸入飽和措施。仿真比較結(jié)果顯示,所設(shè)計(jì)的控制器與具有積分項(xiàng)的反饋線性化控制器相比,具有更好的參考軌跡跟蹤性能和干擾抑制能力。而且,仿真比較結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的針對干擾觀測器的抗輸入飽和措施有利于降低由于輸入飽和約束而造成的系統(tǒng)輸出(輸出連桿角位置和關(guān)節(jié)輸出剛度)跟蹤誤差。(4)為應(yīng)對可變剛度關(guān)節(jié)跟蹤控制器設(shè)計(jì)過程中的控制輸入飽和約束問題,提出了兩種類型的包含輸入飽和補(bǔ)償措施的可變剛度關(guān)節(jié)跟蹤控制方案,仿真比較結(jié)果展示了所設(shè)計(jì)的控制器的有效性、魯棒性以及所設(shè)計(jì)的輸入飽和補(bǔ)償措施有利于降低系統(tǒng)輸出跟蹤誤差�？刂品桨敢�:首先,針對包含復(fù)合干擾和輸入飽和約束的可變剛度關(guān)節(jié)的非線性系統(tǒng)狀態(tài)空間模型,利用坐標(biāo)變換和反饋線性化將其變換為包含集總干擾和輸入飽和約束的線性系統(tǒng)模型,并利用具有抗輸入飽和措施的干擾觀測器來估計(jì)該線性化系統(tǒng)模型中的集總干擾。為應(yīng)對輸入飽和補(bǔ)償問題并基于Lyapunov候選函數(shù)穩(wěn)定性分析來證明閉環(huán)系統(tǒng)的半全局最終一致有界穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了以滑模面為輸入的自適應(yīng)輸入飽和補(bǔ)償律并給出了包含輸入飽和補(bǔ)償項(xiàng)的滑�？刂破鞅磉_(dá)式�？刂品桨付�:利用非線性坐標(biāo)變換,將包含復(fù)合干擾和輸入飽和約束的可變剛度關(guān)節(jié)的非線性系統(tǒng)狀態(tài)空間模型變換為具有輸入飽和約束和匹配集總干擾的積分鏈型的偽線性系統(tǒng),隨后,將匹配的集總干擾擴(kuò)展為新的系統(tǒng)狀態(tài)并得到擴(kuò)展型的積分鏈型的偽線性系統(tǒng),并利用包含輸入飽和約束的線性擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器來估計(jì)上述擴(kuò)展型偽線性系統(tǒng)中的系統(tǒng)狀態(tài)。為應(yīng)對輸入飽和補(bǔ)償問題并基于Lyapunov候選函數(shù)穩(wěn)定性分析來證明閉環(huán)系統(tǒng)的半全局最終一致有界穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了以滑模面為輸入的自適應(yīng)輸入飽和補(bǔ)償律并給出了包含輸入飽和補(bǔ)償項(xiàng)的滑�？刂破鞅磉_(dá)式。仿真結(jié)果分別展示了所設(shè)計(jì)的兩種控制方案的有效性及魯棒性。而且,仿真比較表明,與基于反饋線性化和具有抗輸入飽和措施的干擾觀測器的控制方案相比,在所允許的較大的狀態(tài)觀測增益設(shè)置下,基于線性擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器的跟蹤控制方案更適合應(yīng)對時(shí)變的未知外部干擾。(5)針對具有固定預(yù)設(shè)觀測增益的干擾觀測器和線性擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器可能存在估計(jì)誤差的問題,分別設(shè)計(jì)了針對干擾觀測器的干擾估計(jì)誤差和線性擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器的狀態(tài)估計(jì)誤差的補(bǔ)償措施,仿真比較表明,所設(shè)計(jì)的估計(jì)誤差補(bǔ)償措施有利于降低系統(tǒng)輸出跟蹤誤差,而且該估計(jì)誤差補(bǔ)償措施的引入對系統(tǒng)控制輸入的響應(yīng)所造成的影響有限。
【圖文】：

１．２邋ＶＳＪ機(jī)械設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀逡逑１．２．１具有串聯(lián)配置結(jié)構(gòu)型式的可變傳遞率型ＶＳＪ的機(jī)械設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀逡逑如圖１－１所示，具有串聯(lián)配置結(jié)構(gòu)型式的可變傳遞率型ＶＳＪ通常有以下三種逡逑類型的關(guān)節(jié)輸出剛度調(diào)整方式［２５］，分別為：（ａ）樞軸（ｐｉｖｏｔ）和力作用點(diǎn)位置保逡逑持不變，改變彈簧在杠桿臂上的位置。（ｂ）樞軸和彈簧位置保持不變，改變力作逡逑用點(diǎn)在杠桿臂上的位置。（ｃ）彈簧和力作用點(diǎn)位置保持不變，沿杠桿臂方向改變逡逑樞軸的位置。對于圖ｌ－ｌ（ｃ）所示的ＶＳＪ關(guān)節(jié)輸出剛度調(diào)整方式而言，當(dāng)樞軸沿杠桿逡逑移動時(shí)，杠桿力臂比率１＾／１＾將發(fā)生變化。當(dāng)樞軸與彈簧相對齊時(shí)（ＬｆＯ），關(guān)節(jié)逡逑輸出剛度將為零。當(dāng)樞軸與負(fù)載作用點(diǎn)相對齊時(shí)（Ｌ２＝０），關(guān)節(jié)輸出剛度為無窮大。逡逑Ｐｉｖｏ＾邋Ｓｐｒｉｎｇｓ＾＾邋Ｆｏｒｃｅｊ邋Ｐｌｖ＾邋Ｆｏｒｃｅ，邋Ｓｐｒｉｎｇｓ＾＾邋Ｓｐｒｉｎｇｓ＾＾邋Ｐｉｖｏ＾邋Ｆ0ｒｃｅ，，逡逑Ｌｅｖｅｒ邋ａｒｍ邐＾邋Ｌｅｖｅｒ邋ａｒｍ邐邐Ｌ

山東大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑Ｂｙｅｏｎｇ－Ｓａｎｇ邋Ｋｉｍ邋ｅｔ邋ａｌ．設(shè)計(jì)的ＨＤＡＵ［２７’２８］也是通過沿杠桿移動彈簧的位置來逡逑調(diào)整關(guān)節(jié)輸出剛度。如圖１－３所示，ＨＤＡＵ由混合控制模塊和驅(qū)動模塊所組成，逡逑其混合控制模塊采用一種改進(jìn)的齒輪齒條式行星輪系來調(diào)節(jié)彈簧的位置。ＨＤＡＵ逡逑通過調(diào)節(jié)內(nèi)齒輪和行星架的角位置，能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)位置和剛度的同時(shí)控制。逡逑Ｒｏｌｌｅｒｆｏｌｔｅ？ＣＴ邐＾邐Ｊ￣￣ｆ邐｜ｊ邋．逡逑夬 ？１逡逑丨一—．：：；Ｉ——ｒ２’，N邋；．知丨逡逑ａｒｍ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邐Ｉｎｔｅｒｎａｌ，邋ｒｉｎｇ邋ｇｅａｒ邋１邐ｏｕｔｅｒ邋ｃａｓｅ）邋ｍｏｄｕｌｅ邐ｉｍｏｄｕｉｃ逡逑（ａ）邐（ｂ）邐（ｃ）逡逑圖１－３邋ＨＤＡＵ的機(jī)械結(jié)構(gòu)ＣＡＤ視圖及實(shí)物圖ＨＤＡＵ的齒輪齒條式變剛度機(jī)構(gòu)的ＣＡＤ逡逑結(jié)構(gòu)視圖；（ｂ）邋ＨＤＡＵ的齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)的ＣＡＤ局部剖視圖；（ｃ）邋ＨＤＡＵ的裝配體實(shí)物圖。逡逑ＬｕｄｏＣ．邋Ｖｉｓｓｅｒｅｔａｌ．設(shè)計(jì)的ｖｓａＵＴ［２９］（如圖ｌ－４（ａ，ｂ）所不）通過改變杠桿的負(fù)逡逑載作用點(diǎn)位置來調(diào)節(jié)杠桿力臂的有效長度，其剛度調(diào)節(jié)方式如圖ｌ－ｌ（ｂ）所示。ｖｓａＵＴ逡逑的最小關(guān)節(jié)輸出剛度將取決于彈簧的剛度系數(shù)。孫欣然提出的變剛度踩關(guān)節(jié)［３（）］如逡逑圖ｌ－４（ｃ，ｄ）所示，該ＶＳＪ由動力輸入和彈性輸出兩部分組成，通過齒輪齒條傳動機(jī)逡逑構(gòu)來實(shí)現(xiàn)載荷作用點(diǎn)（輸出力作用點(diǎn)）的改變
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH122
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本文編號：2615479