基于非线性弹性元件的柔顺驱动器控制研究

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1、天津大学硕士学位论文基于非线性弹性元件的柔顺驱动器控制研究ControlofCompliantActuatorsbasedonNonlinearElasticElements学科专业：机械工程研究生：高冬指导教师：宋智斌副教授企业导师：王炳强高级工程师天津大学机械工程学院2017年12月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宄工作和取得的，论研宄成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证一书而使

2、用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。〇丨二月学位论文作者签名签字日期：ｚ／年丨日７７学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库讲行检．、、索，并采用影印缩印或扫描等复制手段保存汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名导师签名：之丨別：月／

3、曰签字曰期：，年ａ月卩曰签字曰期年７摘要上肢康复机器人早期研究主要集中在欧美、日本等发达国家。目前这些国家医疗康复机器人的市场呈逐年上升趋势。而我国目前对于上肢康复机器人的投入与欧美、日本仍有很大的差距，上肢运动功能障碍康复机器人的研究任重而道远。随着我国人口老龄化加剧，因中风导致的上肢运动损伤患者的增多，上肢康复机器人所具有的使用价值将会越来越大，其需求也将越来越大，因此发展具有核心竞争力的国产上肢康复机器人具有重大现实意义。与传统工业机械臂相比较，安全性对于康复机器人研究来说至关重要。为了保障人与机器人交互

4、过程的安全性，康复机器人的核心部件—柔顺驱动器的性能就显得尤为重要了。通过横向比较国内外关于柔顺驱动器的种类与性能指标，本研究从仿生角度提出了一种刚度负载相匹配的柔顺驱动器设计思路—“小负载，低刚度；大负载，高刚度”的负载选择刚度机制，即人体上肢在从事重体力劳动时，肌肉紧绷，刚度变大；而在从事写字画画等轻体力的工作时，肌肉松弛，刚度变小。为实现此刚度负载匹配的柔顺驱动器功能，本文从机械结构，控制方法两个角度设计该驱动器。在结构上，该柔顺驱动器通过在交互力小时表现出低刚度，获得精确的力矩分辨率；在交互力大时表现出高刚度

5、，获得较大带宽，从而实现更加柔顺精确的人机交互(HRI)；在控制上，对非线性刚度驱动器(NSCA)进行动力学建模，利用阻抗控制算法模拟实际交互环境，通过对比数据总结驱动器的性能，发现该柔顺驱动器位置的精度与响应速度等方面还存在着一些问题，随后本文针对这些问题进行了进一步的优化。对于非线性刚度驱动器控制上的优化主要分为两部分。其一，针对影响系统的控制精度而又难以准确建立数学模型的干扰和噪声问题，本文利用基于观测估计干扰并实施补偿的干扰观测器(DOB)进行解决。其二，针对由于摩擦和阻尼作用引起的驱动器弹性元件迟滞问题，本

6、文采用离散化的Bouc-wen迟滞模型对该迟滞现象进行描述，通过参数识别建立起更适用于本文所提出的非线性刚度驱动器的迟滞模型，消除了由于迟滞引起的驱动器控制精度不足的问题。经过以上两个方面的优化，非线性刚度驱动器达到了精准的力位输出交互性能，也为后续的康复机器人功能的开发奠定了良好的基础。关键词：非线性刚度，柔顺驱动器，阻抗控制，干扰观测器，迟滞补偿，李雅普诺夫稳定性IABSTRACTTheearlyresearchofupperlimbrehabilitationrobotsismainlyconcentrated

7、indevelopedcountriessuchasEurope,Americaandjapan.Atpresent,themarketofmedicalrehabilitationrobotsinthesecountriesisincreasingyearbyyear.However,investmentinupperlimbrehabilitationrobotsinChinastillexistsabiggapwithEurope,AmericaandJapan.Theresearchofrehabilitat

8、ionrobotsforupperlimbphysicaldysfunctionisstillaharshworkinChina.WithpopulationaginginChina,upperlimbinjuriesareincreasedandapplicationvalueofupperlimbrehabilitationrobotswi