助行腿串聯(lián)彈性驅(qū)動器的系統(tǒng)設(shè)計.pdf

1、近年來，助行機器人廣泛應(yīng)用于老年人、殘疾人的康復(fù)訓(xùn)練及軍事單兵裝備領(lǐng)域。作為人機互動機器人的一種，助行機器人對舒適性及安全性具有較高的要求。因此，本文設(shè)計了一種具有柔性驅(qū)動和仿生驅(qū)動能力的驅(qū)動裝置—串聯(lián)彈性驅(qū)動器（Series Elastic Actuator，SEA）作為助行機器人的驅(qū)動裝置。串聯(lián)彈性驅(qū)動器就是在傳統(tǒng)電機驅(qū)動的基礎(chǔ)上串聯(lián)一個彈性元件。本文主要采用理論推導(dǎo)與實驗驗證的方法對串聯(lián)彈性驅(qū)動器系統(tǒng)進行了性能分析及系統(tǒng)設(shè)計。

2、r>　　首先，采用理論推導(dǎo)與Matlab數(shù)值仿真分析了彈性元件的引入給系統(tǒng)帶來的優(yōu)點和限制因素。分析結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的電機驅(qū)動相比，串聯(lián)彈性驅(qū)動器的本質(zhì)就是以犧牲閉環(huán)系統(tǒng)帶寬的方式，獲得比較好的力學(xué)性能，例如其阻抗降低、耐沖擊性增強、能夠降低彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的共振對閉環(huán)系統(tǒng)的影響等。
　　其次，設(shè)計了一種用于助行腿的串聯(lián)彈性驅(qū)動器系統(tǒng)。針對人機系統(tǒng)在運動過程中的時變特性，采用線性二次型最優(yōu)控制設(shè)計PD反饋控制器，并設(shè)計了前饋濾波器與擾

3、動觀測器用來提高人機互動過程中系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。由于該串聯(lián)彈性驅(qū)動器的控制算法不包含任何人體結(jié)構(gòu)參數(shù)，不需要對針對某一個體單獨設(shè)計，因此，對人機互動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計具有普遍的借鑒意義。
　　最后，采用SolidWorks, ADAMS和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真及實驗研究的方法對前述串聯(lián)彈性驅(qū)動器的理論分析及系統(tǒng)設(shè)計部分進行了驗證。仿真結(jié)果表明，控制系統(tǒng)能夠迅速準確地跟蹤輸入，且對外部干擾信號具有一定的抑制作用。通