关于非线性刚度驱动器最优刚度的研究
发布时间：2020-12-28 02:28
被动柔顺驱动器因其能量存储、缓冲作用强和安全性等特点广泛应用于人机交互领域,如康复机器人、医疗机器人等。传统的串联弹性驱动器（Series Elastic Actuators,SEAs）通过线性弹簧实现柔顺的人机交互,但弹簧的固定的刚度限制了柔顺驱动器的性能。高刚度的驱动器具有高的控制带宽等动力学性能,但其力矩分辨力、安全性等柔顺性能较差。相反,低刚度的驱动器具有更高的柔顺性能。刚度和负载解耦的可变刚度驱动器（Variable Stiffness Actuators,VSAs）在一定程度上实现了两种性能的平衡,但多数的可变刚度驱动器通过独立的刚度调节机构实现刚度的变化,增加的额外的刚度调节电机增加了驱动器结构的复杂性。在人机交互中,刚度和负载耦合的非线性刚度驱动器既可以实现动力学性能和柔顺性能的权衡,又能简化驱动器的机械结构使驱动器结构更紧凑。本文针对非线性刚度驱动器的刚度的设计和人机交互性能的研究,首先介绍了依据“小负载,低刚度;大负载,高刚度”的交互策略设计的负载选择的非线性刚度驱动器（Load-Dependent Nonlinear Stiffness Actuator,LDNS...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1串联弹性驱动器原理图[9]
第一章绪论3传统的SEA多采用线性刚度的弹簧作为弹性元件，所选择的弹簧的刚度成为影响SEA性能的关键因素，固定的弹簧刚度限制了驱动器的性能。高刚度的弹性元件缓冲性能差，降低了驱动器的安全性，而低刚度的弹性元件虽然具有较高的力矩分辨力和安全性能，但响应速度和带宽性能却大大降低[11]。为了突破固定刚度的限制，可变刚度驱动器(VSA)成为了近几年的研究热点。新加坡国立大学的喻豪勇教授提出了一种具有高低两种刚度的柔顺驱动器[12]，其通过串联两种不同刚度的线性弹簧实现驱动器刚度的变化。如图1-2所示，高刚度的弹簧的弹性系数1k为低刚度弹簧弹性系数2k的120倍，当负载较小时，可以认为高刚度的弹簧具有无限高的刚度，即为刚性体，柔顺驱动器表现为低刚度的SEA；当负载力增加到一定的值时，低刚度的弹簧被完全压缩，柔顺驱动器通过高刚度的弹簧实现柔顺运动。(a)新型柔顺驱动器原型；(b)新型柔顺驱动器水平运动模型图1-2具有高刚度和低刚度的新型柔顺驱动器模型[12]Figure1-2Modelofthenovelcompliantactuatorwithhighstiffnessandlowstiffness.Wolf等人在2008年提出的变刚度关节VS-Joint[13]实现了一种更紧凑的变刚度结构，可变刚度的范围也有所增大，如图1-3所示。变刚度关节VS-Joint主要通过凸轮盘、凸轮滚子以及线性弹簧来实现刚度调节，当关节运动时，滚子将在凸轮盘上运动从而挤压线性弹簧并调整弹簧的预负载以改变关节的转动刚度。该
第一章绪论4关节共使用两个电机，一个提供关节的运动，另一个调节关节的转动刚度，刚度调节电机的位置不同，转动关节的转动刚度关系也不同。之后，Wolf等人在VS-Joint的基础上设计了一种新的变刚度关节FSJ[11]，如图1-4，通过两个凸轮盘和连接他们的弹簧改变刚度，通过刚度调节结构的优化提高了变刚度关节的性能。(a)变刚度关节机械结构;(b)变刚度关节的原理示意图;(c)变刚度关节的刚度关系图1-3变刚度关节的模型和刚度[13]Figure1-3ModelandStiffnessoftheVS-Joint除了通过凸轮结构实现变刚度之外，杠杆结构也是研究者们关注的焦点，例如Kim等人设计的变刚度驱动器HDAU[14]和Pew等人设计的VSTA[15]以及Caldwell等人设计的AwAs系列[16,17]等可变刚度驱动器。AwAs系列通过杠杆和弹簧结构实现了柔顺驱动器的刚度变化。图1-5表示了改进之后的AwAs-II的结构、变刚度原理和刚度范围。电机M1用于提供驱动器的运动，M2用于改变滑块即杠杆支点在导轨上的位置从而调节驱动器的刚度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于负载选择的非线性刚度驱动器性能评价[J]. 宋智斌,赵亚茹,高冬,戴建生. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2018(11)
[2]干扰观测器在一种非线性刚度驱动器中的应用[J]. 高冬,宋智斌,赵亚茹. 北京航空航天大学学报. 2018(06)
硕士论文
[1]用于肩关节康复机器人的非线性刚度柔顺驱动器设计方法[D]. 蓝韶彬.天津大学 2017
本文编号：2942963
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1串联弹性驱动器原理图[9]
第一章绪论3传统的SEA多采用线性刚度的弹簧作为弹性元件，所选择的弹簧的刚度成为影响SEA性能的关键因素，固定的弹簧刚度限制了驱动器的性能。高刚度的弹性元件缓冲性能差，降低了驱动器的安全性，而低刚度的弹性元件虽然具有较高的力矩分辨力和安全性能，但响应速度和带宽性能却大大降低[11]。为了突破固定刚度的限制，可变刚度驱动器(VSA)成为了近几年的研究热点。新加坡国立大学的喻豪勇教授提出了一种具有高低两种刚度的柔顺驱动器[12]，其通过串联两种不同刚度的线性弹簧实现驱动器刚度的变化。如图1-2所示，高刚度的弹簧的弹性系数1k为低刚度弹簧弹性系数2k的120倍，当负载较小时，可以认为高刚度的弹簧具有无限高的刚度，即为刚性体，柔顺驱动器表现为低刚度的SEA；当负载力增加到一定的值时，低刚度的弹簧被完全压缩，柔顺驱动器通过高刚度的弹簧实现柔顺运动。(a)新型柔顺驱动器原型；(b)新型柔顺驱动器水平运动模型图1-2具有高刚度和低刚度的新型柔顺驱动器模型[12]Figure1-2Modelofthenovelcompliantactuatorwithhighstiffnessandlowstiffness.Wolf等人在2008年提出的变刚度关节VS-Joint[13]实现了一种更紧凑的变刚度结构，可变刚度的范围也有所增大，如图1-3所示。变刚度关节VS-Joint主要通过凸轮盘、凸轮滚子以及线性弹簧来实现刚度调节，当关节运动时，滚子将在凸轮盘上运动从而挤压线性弹簧并调整弹簧的预负载以改变关节的转动刚度。该
第一章绪论4关节共使用两个电机，一个提供关节的运动，另一个调节关节的转动刚度，刚度调节电机的位置不同，转动关节的转动刚度关系也不同。之后，Wolf等人在VS-Joint的基础上设计了一种新的变刚度关节FSJ[11]，如图1-4，通过两个凸轮盘和连接他们的弹簧改变刚度，通过刚度调节结构的优化提高了变刚度关节的性能。(a)变刚度关节机械结构;(b)变刚度关节的原理示意图;(c)变刚度关节的刚度关系图1-3变刚度关节的模型和刚度[13]Figure1-3ModelandStiffnessoftheVS-Joint除了通过凸轮结构实现变刚度之外，杠杆结构也是研究者们关注的焦点，例如Kim等人设计的变刚度驱动器HDAU[14]和Pew等人设计的VSTA[15]以及Caldwell等人设计的AwAs系列[16,17]等可变刚度驱动器。AwAs系列通过杠杆和弹簧结构实现了柔顺驱动器的刚度变化。图1-5表示了改进之后的AwAs-II的结构、变刚度原理和刚度范围。电机M1用于提供驱动器的运动，M2用于改变滑块即杠杆支点在导轨上的位置从而调节驱动器的刚度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于负载选择的非线性刚度驱动器性能评价[J]. 宋智斌,赵亚茹,高冬,戴建生. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2018(11)
[2]干扰观测器在一种非线性刚度驱动器中的应用[J]. 高冬,宋智斌,赵亚茹. 北京航空航天大学学报. 2018(06)
硕士论文
[1]用于肩关节康复机器人的非线性刚度柔顺驱动器设计方法[D]. 蓝韶彬.天津大学 2017
本文编号：2942963
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/2942963.html
