被動柔順驅(qū)動器因其能量存儲、緩沖作用強(qiáng)和安全性等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互領(lǐng)域,如康復(fù)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人等。傳統(tǒng)的串聯(lián)彈性驅(qū)動器（Series Elastic Actuators,SEAs）通過線性彈簧實(shí)現(xiàn)柔順的人機(jī)交互,但彈簧的固定的剛度限制了柔順驅(qū)動器的性能。高剛度的驅(qū)動器具有高的控制帶寬等動力學(xué)性能,但其力矩分辨力、安全性等柔順性能較差。相反,低剛度的驅(qū)動器具有更高的柔順性能。剛度和負(fù)載解耦的可變剛度驅(qū)動器（Variable Stiffness Actuators,VSAs）在一定程度上實(shí)現(xiàn)了兩種性能的平衡,但多數(shù)的可變剛度驅(qū)動器通過獨(dú)立的剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剛度的變化,增加的額外的剛度調(diào)節(jié)電機(jī)增加了驅(qū)動器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。在人機(jī)交互中,剛度和負(fù)載耦合的非線性剛度驅(qū)動器既可以實(shí)現(xiàn)動力學(xué)性能和柔順性能的權(quán)衡,又能簡化驅(qū)動器的機(jī)械結(jié)構(gòu)使驅(qū)動器結(jié)構(gòu)更緊湊。本文針對非線性剛度驅(qū)動器的剛度的設(shè)計和人機(jī)交互性能的研究,首先介紹了依據(jù)“小負(fù)載,低剛度;大負(fù)載,高剛度”的交互策略設(shè)計的負(fù)載選擇的非線性剛度驅(qū)動器（Load-Dependent Nonlinear Stiffness Actuator,LDNS... 

【文章來源】：天津大學(xué)天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：87 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖1-1串聯(lián)彈性驅(qū)動器原理圖[9]

第一章緒論3傳統(tǒng)的SEA多采用線性剛度的彈簧作為彈性元件，所選擇的彈簧的剛度成為影響SEA性能的關(guān)鍵因素，固定的彈簧剛度限制了驅(qū)動器的性能。高剛度的彈性元件緩沖性能差，降低了驅(qū)動器的安全性，而低剛度的彈性元件雖然具有較高的力矩分辨力和安全性能，但響應(yīng)速度和帶寬性能卻大大降低[11]。為了突破固定剛度的限制，可變剛度驅(qū)動器(VSA)成為了近幾年的研究熱點(diǎn)。新加坡國立大學(xué)的喻豪勇教授提出了一種具有高低兩種剛度的柔順驅(qū)動器[12]，其通過串聯(lián)兩種不同剛度的線性彈簧實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器剛度的變化。如圖1-2所示，高剛度的彈簧的彈性系數(shù)1k為低剛度彈簧彈性系數(shù)2k的120倍，當(dāng)負(fù)載較小時，可以認(rèn)為高剛度的彈簧具有無限高的剛度，即為剛性體，柔順驅(qū)動器表現(xiàn)為低剛度的SEA；當(dāng)負(fù)載力增加到一定的值時，低剛度的彈簧被完全壓縮，柔順驅(qū)動器通過高剛度的彈簧實(shí)現(xiàn)柔順運(yùn)動。(a)新型柔順驅(qū)動器原型；(b)新型柔順驅(qū)動器水平運(yùn)動模型圖1-2具有高剛度和低剛度的新型柔順驅(qū)動器模型[12]Figure1-2Modelofthenovelcompliantactuatorwithhighstiffnessandlowstiffness.Wolf等人在2008年提出的變剛度關(guān)節(jié)VS-Joint[13]實(shí)現(xiàn)了一種更緊湊的變剛度結(jié)構(gòu)，可變剛度的范圍也有所增大，如圖1-3所示。變剛度關(guān)節(jié)VS-Joint主要通過凸輪盤、凸輪滾子以及線性彈簧來實(shí)現(xiàn)剛度調(diào)節(jié)，當(dāng)關(guān)節(jié)運(yùn)動時，滾子將在凸輪盤上運(yùn)動從而擠壓線性彈簧并調(diào)整彈簧的預(yù)負(fù)載以改變關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動剛度。該

第一章緒論4關(guān)節(jié)共使用兩個電機(jī)，一個提供關(guān)節(jié)的運(yùn)動，另一個調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動剛度，剛度調(diào)節(jié)電機(jī)的位置不同，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動剛度關(guān)系也不同。之后，Wolf等人在VS-Joint的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新的變剛度關(guān)節(jié)FSJ[11]，如圖1-4，通過兩個凸輪盤和連接他們的彈簧改變剛度，通過剛度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提高了變剛度關(guān)節(jié)的性能。(a)變剛度關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu);(b)變剛度關(guān)節(jié)的原理示意圖;(c)變剛度關(guān)節(jié)的剛度關(guān)系圖1-3變剛度關(guān)節(jié)的模型和剛度[13]Figure1-3ModelandStiffnessoftheVS-Joint除了通過凸輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變剛度之外，杠桿結(jié)構(gòu)也是研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)，例如Kim等人設(shè)計的變剛度驅(qū)動器HDAU[14]和Pew等人設(shè)計的VSTA[15]以及Caldwell等人設(shè)計的AwAs系列[16,17]等可變剛度驅(qū)動器。AwAs系列通過杠桿和彈簧結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了柔順驅(qū)動器的剛度變化。圖1-5表示了改進(jìn)之后的AwAs-II的結(jié)構(gòu)、變剛度原理和剛度范圍。電機(jī)M1用于提供驅(qū)動器的運(yùn)動，M2用于改變滑塊即杠桿支點(diǎn)在導(dǎo)軌上的位置從而調(diào)節(jié)驅(qū)動器的剛度。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于負(fù)載選擇的非線性剛度驅(qū)動器性能評價[J]. 宋智斌,趙亞茹,高冬,戴建生.  天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版). 2018(11)
[2]干擾觀測器在一種非線性剛度驅(qū)動器中的應(yīng)用[J]. 高冬,宋智斌,趙亞茹.  北京航空航天大學(xué)學(xué)報. 2018(06)

碩士論文
[1]用于肩關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的非線性剛度柔順驅(qū)動器設(shè)計方法[D]. 藍(lán)韶彬.天津大學(xué) 2017



本文編號：2942963