一種新型變剛度關節(jié)的設計及其控制研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、變剛度關節(jié)由于關節(jié)剛度可調,因而相較于傳統(tǒng)剛性關節(jié)和定剛度關節(jié),具有更快闊的應用前景。同時,也因為需要實現(xiàn)剛度的調整,所以結構也更加復雜,單個關節(jié)系統(tǒng)需要兩個電機,一個位置電機調節(jié)關節(jié)位置,一個調剛電機調節(jié)關節(jié)剛度。變剛度關節(jié)的這種特性,對其結構和控制提出了更高要求,因此,變剛度關節(jié)的結構及其控制算法研究是一個十分具有挑戰(zhàn)性的課題。
  傳統(tǒng)的變剛度關節(jié)變剛度原理多為對抗彈簧、彈性材料以及杠桿原理等。其中對抗彈簧耗能較大;彈性材料

2、對材料特性要求較高,且剛度變化范圍有限;杠桿原理被采用的最多,但采用改變彈性端或負載端的力臂實現(xiàn)變剛度,其剛度變化范圍有限,而改變杠桿支點位置能夠實現(xiàn)剛度的大范圍變化,從接近于零到接近于完全剛性。采用杠桿原理的變剛度關節(jié)結構較為復雜,且存在體積大,質量大,齒輪嚙合間隙,滾子槽內滑動摩擦耗能大,滾珠絲桿響應慢等諸多問題。在控制研究上也還不夠深入,軌跡跟蹤實驗不夠理想。
  針對現(xiàn)有變剛度原理應用中所存在的問題,本文提出了一種基于扭簧

3、特性的變剛度原理,其采用雙滾子雙扭簧結構,滾子與扭簧臂之間為滾動摩擦。具有結構簡單,調剛能量損耗小,剛度變化范圍大的特點,能夠實現(xiàn)從接近于零到接近于完全剛性的剛度變化。采用鋼絲繩傳動,具有承力大,結構緊湊的特點,同時避免了齒輪嚙合傳動間隙,以及滾珠絲桿質量大,體積大,響應慢的特點?;谀K化的思想,進行了變剛度關節(jié)系統(tǒng)結構的設計,將系統(tǒng)調剛部分,即調剛電機及其傳動部分,和輸入輸出偏差角的測量部分,即絕對磁編碼器,都整合進關節(jié)內部,使系統(tǒng)

4、結構更加緊湊。
  針對變剛度關節(jié)彈性非線性環(huán)節(jié)導致系統(tǒng)控制器直接設計比較困難,且易受外界擾動影響的問題,本文提出了基于虛擬力矩分層控制的方法設計PD控制器,并提出了引入擾動補償器對外界擾動等不確定因素加以補償。實時地調整命令,進而改善關節(jié)輸出軸的軌跡跟蹤性能,以及動態(tài)響應性能。通過對不同剛度、負載、信號的軌跡跟蹤實驗效果的對比,驗證了PD控制器能夠實現(xiàn)較好的軌跡跟蹤效果,同時也驗證了引入的擾動補償器對軌跡跟蹤實驗效果有一定的改善

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