基于SEA柔性驱动的动力学模型频域特性研究.pdf

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1、基于SEA柔性驱动的动力学模型频域特性研究半口王存堂口任飞口谢方伟口张兵江苏大学机械工程学院江苏镇江212013摘要：为提高康复机器人工作中的柔顺性，分别建立基于位置源及力源驱动的两种串联弹性驱动器(SeriesElasticActuator，SEA)的动力学模型，分析其各自稳定性。为逼近人体肌肉变刚度特点，将弹簧与阻尼器并联作为弹性组件，经Laplace(~i普拉斯)变换得到两种SEA的开、闭环传递函数，用频域分析得到各自奈氏图(Nyquist图)和伯德图(Bode图)及频域指标，以改变弹簧刚度k、阻尼系数C来分析系统稳定性和快速性。结果表明：在稳定性方面，力源>

2、位置源；k和C的变化不仅显著影响SEA稳定性，也影响其力输出带宽和幅、相频特性。关键词：机器人串联弹性驱动器(SEA)动力学模型频域分析稳定性中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1000—4998f2015)12—0031—06柔性驱动技术是目前机器人行业亟需解决的一个号转化成转矩和转速以驱动控制对象。因此按目前控难题⋯在康复机器人领域，国内外开发的传统驱动器制方式分类，SEA动力学模型可分成两类：位置源或主要以集成伺服电机的刚性驱动为主，整体柔性不足，速度源和力源模型[23。即将电机或液压缸看作理想的在使用过程中极易造成二次伤害。将柔性驱动技术应位置或速

3、度、以及力输出源，来控制SEA输出端的速用于康复机器人领域，可以满足机器人低能耗运动、柔度或位移以及输出力。笔者分别建立基于位置源和力顺化动作、自调整接触等仿人性要求。面对这些问题，源的两种SEA动力学模型，比较其各自在稳定性、快MIT的PrattE研发出利用弹簧特性来设计出一种具有速性和力输出带宽等方面的优缺点。仿肌特征的串联弹性驱动器(SEA)。基本SEA结构的1基于位置源控制的SEA动力学模型特点就是在驱动源和负载之间串联一个弹簧，从而实现精确的力控制，该驱动器具有较低的力输出阻抗、摩基本的SEA模型如图1所示，该模型是在负载和擦因数和适当的控制带宽。哈尔滨2

4、12程大学的马洪驱动源间串联一组弹性元件[63。文等人在SEA弹性元件中加入阻尼环节，可以更好位置源控制法是指通过内部反馈控制电机的位移地模拟人体肌肉变刚度E43的特性。输出[73，来控制输出端的位移、速度、输出力，如图2所示。SEA作为一种具有仿生弹性驱动的力输出装置，由图2可知，简化位置源控制法中内部反馈PID控制可以提高康复机器人对人类受损肢体的柔顺性和安环节，SEA位置源模型如图3所示。全性，克服人机交互过程中的问题。SEA中弹性组件图3中厂d为给定信号为负载输出力信号i为一方面可以抵抗高冲击载荷，实现储存和释放能量：偏差信号；为中间位移变量；k为积分环节的

5、比例另一方面可通过控制形变量来实现力输出。由于SEA增益；T为惯性环节的时间常数；为等效质量的位具备上述优点，目前在康复、助力以及工业机器人上的移；口为相对位移速度；∞为负载位移；k为弹簧刚度应用日益广泛]。近年来，许多研究人员开始关注SEA．在对SEA的动力学模型方面做出了大量分析。但还存在以下两个问题：①忽略电器元件造成的一些因素，动力学模型太简化，对位置源控制方法探讨不足；②针对各种控制方法．在康复机器人方面．SEA的低阻抗特性要求和驱动带宽之间呈反向关系。由于在SEA中驱动源伺服电机可以对速度、位置精度进行准确控制]，同时可以通过闭环反馈将电信江苏省科技型企

6、业技术创新基金资助项目(编号：BC2014155)收稿日期：2015年7月机械制造53卷第616期2015／12制不同C的Nyquist图和Bode图，如图4和图5所示。系数；c为黏滞阻尼系数；ml为负载质量；PID控制参量分别为比例增益kp．积分因子ki．微分因子kd；s为拉普拉斯因子。f=k+c(1)氟=Xa-Xl(2)a(3)经Laplace变换后，由式(1)、(2)、(3)可得：=(,-~-Cs8)[](4)为方便分析，不妨先假定驱动器输出端位移为0，即X：0。系统开环传递函数为：G1㈤==(5)分析该系统的闭环传递函数，对于单位负反馈系统有：=一(6)经P

7、ID控制后驱动位移为：Xd=k+Ikfedt+k(7)经Laplace变换后，式(7)变成：Xa=(kP+堕L+)(8)固定负载输出端，即=0，该系统的闭环传递函数为：由图4可知：①根据Nyquist判据可知，该闭环系G2㈥=鲁：C3S3+C2~q2+Cis+CO(9)统稳定；②该系统奈氏曲线与单位圆相交，均位于虚轴式中：C3=k~cfld；D3=koc~kd+；C2=k(c+d)；的右侧，幅值裕度均较大。随着C增大，各频率特性曲线越来越远离(一1，i0)D2=1础。(c—岳d)；CJ=。(cj+P)；D】(ci+P)；Co=ki；D。=。点。所以稳定性越来越好