【摘要】：串聯(lián)彈性驅(qū)動器(Series Elastic Actuator,SEA)作為康復(fù)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(fù)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。根據(jù)康復(fù)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(yīng)性強等特點。其次,以單剛度SEA力學(xué)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(xué)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(yīng)變化情況;對干擾觀測器的可行性以及帶有干擾觀測器的SEA力控制系統(tǒng)的響應(yīng)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(yīng)輸入且精度較高。這些數(shù)學(xué)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的力控制設(shè)計奠定理論基礎(chǔ),對于實踐和生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。
[Abstract]:As the power source of rehabilitation robot, series elastic actuator (Series Elastic Actuator,SEA) can achieve the purpose of flexible drive, which determines the flexibility and safety of the whole rehabilitation robot. In this paper, a variable stiffness piston type SEA and its force control system are designed to solve the wearability and safety problems caused by the lack of flexibility of the traditional rigid actuators, on the basis of which the elastic components are added, and a variable stiffness piston type piston actuator and its force control system are designed. Finally, the virtual prototype technology is used to verify the above conclusions. The concrete research contents are as follows: firstly, the research situation of traditional SEA structure, variable stiffness SEA structure and force control strategy at home and abroad are summarized. According to the working requirement of rehabilitation robot and the stiffened character of human muscle, based on the traditional fixed stiffness SEA structure, a variable stiffness piston type SEA prototype is proposed. The compactness of traditional SEA and piston SEA is compared, and the finite element strength analysis is carried out when subjected to radial or axial load. It is concluded that piston variable stiffness SEA has the characteristics of compact structure, strong bearing capacity and strong environmental adaptability. Secondly, taking the single stiffness SEA mechanical model as the research object, according to two basic control strategies, such as position source and force source, the open-loop and closed-loop frequency domain comparison and analysis are carried out respectively, and the spring stiffness, equivalent mass and other parameters to the stability of the system are discussed. The influence of speed and driving bandwidth; Finally, the impact resistance of double series SEA and single stiffness SEA is compared in frequency domain. The results show that the performance of the force source control method is better than that of the position source, and the impact resistance of the double series SEA is stronger than that of the single stiffness SEA when the high frequency signal is impacted. Then, taking elbow joint as an example, the dynamic model of SEA system is established according to different working conditions. After simplified analysis, the control scheme is put forward, and the disturbance feedback regulation system is designed. Considering the external disturbance, the step response of the system is compared and analyzed, and the feasibility of the disturbance observer and the response ability of the sea force control system with the disturbance observer are proved. The results show that the system has strong anti-jamming performance, fast response to input and high precision. These mathematical models lay the foundation for designing the actual physical link and constructing the real force servo control system. Finally, the simulation platform of SEA virtual prototype is built through the joint simulation of Adams and matlab/simulink. The two characteristics (force output characteristic and output impedance) of the force source control model are verified, and the velocity / displacement following characteristics of the SEA driver are analyzed. Compared with the physical prototype experiment, the virtual prototyping technology can save the cost and lay the theoretical foundation for the force control design of SEA. It is of guiding significance for practice and production.
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

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