康复机器人用弹性驱动器结构及力控制系统设计研究
[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.
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP242
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,本文编号:2439964
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