助行腿串联弹性驱动器的系统设计

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1、硕士学位论文助行腿串联弹性驱动器的系统设计DESIGNOFSERIESELASTICACTUATORSYSTEMFORTHEASSISTIVELIMB刘伟颖哈尔滨工业大学2014年6月万方数据国内图书分类号：TH692.9学校代码：10213国际图书分类号：621.7密级：公开工学硕士学位论文助行腿串联弹性驱动器的系统设计硕士研究生：刘伟颖导师：盖玉先教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：船舶与海洋工程学院答辩日期：2014年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学万方数据ClassifiedIndex:TH692.9U.D.C:621.7Dissertatio

2、nfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNOFSERIESELASTICACTUATORSYSTEMFORTHEASSISTIVELIMBCandidate:LiuWeiyingSupervisor:Prof.GaiYuxianAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofNavalArchitectureandOceanEngineeringDateofDefence：June,20

3、14Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要近年来，助行机器人广泛应用于老年人、残疾人的康复训练及军事单兵装备领域。作为人机互动机器人的一种，助行机器人对舒适性及安全性具有较高的要求。因此，本文设计了一种具有柔性驱动和仿生驱动能力的驱动装置—串联弹性驱动器（SeriesElasticActuator，SEA）作为助行机器人的驱动装置。串联弹性驱动器就是在传统电机驱动的基础上串联一个弹性元件。本文主要采用理论推导与实验验证的方法对串联弹性驱动器系统进行了

4、性能分析及系统设计。首先，采用理论推导与Matlab数值仿真分析了弹性元件的引入给系统带来的优点和限制因素。分析结果表明，与传统的电机驱动相比，串联弹性驱动器的本质就是以牺牲闭环系统带宽的方式，获得比较好的力学性能，例如其阻抗降低、耐冲击性增强、能够降低弹簧质量系统的共振对闭环系统的影响等。其次，设计了一种用于助行腿的串联弹性驱动器系统。针对人机系统在运动过程中的时变特性，采用线性二次型最优控制设计PD反馈控制器，并设计了前馈滤波器与扰动观测器用来提高人机互动过程中系统的鲁棒稳定性。由于该串联弹性驱动器的控制算法不包含任何人体结构参数，不需要对针对某一个体单独设计，

5、因此，对人机互动机器人的驱动系统设计具有普遍的借鉴意义。最后，采用SolidWorks,ADAMS和MATLAB/Simulink联合仿真及实验研究的方法对前述串联弹性驱动器的理论分析及系统设计部分进行了验证。仿真结果表明，控制系统能够迅速准确地跟踪输入，且对外部干扰信号具有一定的抑制作用。通过多组实验证明：系统能够通过控制扭簧变形量驱动负载按照期望的轨迹进行运动；当串联弹性驱动器驱动不同的关节时，闭环控制系统具有一定的鲁棒稳定性；通过与传统电机驱动的对比实验证明串联弹性驱动器的本质是通过牺牲闭环系统带宽的方式获得较好的力学性能。关键字：助行机器人；串联弹性驱动器；

6、力矩控制；扰动观测器；鲁棒稳定性I万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractInrecentyears,humanassistiverobotiswidelyusedforthegaitrehabilitationoftheelderlyanddisabledanditcanalsoreducetheenergyconsumptionofsoldiersandimprovetheircombatcapability.Asonekindofinteractiverobots,humanassistiverobotshavehighrequirementfo

7、rthecomfortandsafety.Therefore,akindofdriverwiththecharacteristicofflexibilityandbionic-serieselasticactuatorwasdesigned.Comparedwiththeconventionalmotor-drive,anelasticelementisintroducedtotheserieselasticactuator.Inthispaper,performanceanalysisandsystemdesignwereaccomplishedintheba