一种新型的可变刚度柔性关节设计与控制研究

• 作 者: 蔡若凡
• 机 构: 哈尔滨工业大学
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 可变刚度 非线性 给定值控制 刚度拟合 位置跟随

可变刚度的柔性关节,因其刚度可调的特性,相比传统的刚性关节和单纯柔性关节有更强的环境适应性,特别在人机交互较多的场合拥有极高的应用价值。但是刚度可变也带来了结构复杂,刚度稳定性差等问题,而且,当前已有的变刚度机构中,刚度同多个参数间皆为非线性关系,使得关节刚度辨识困难,控制器难以准确实现刚度动态调节。本文针对上述问题,设计了一种利用机构间几何关系实现刚度变化的新型变刚度机构,并在此基础上完成了刚度动态可调的给定值控制系统的研究与设计。首先,针对变刚度原理中存在的非线性问题,本文提出了一种类曲柄滑块机构,利用支点运动时机构间的几何关系预压缩弹簧,实现了刚度关于支点偏移量的近似线性变化。该原理中引入的支点-滑块-滑动轴承的压缩形式解决了现有的支点-滑槽结构中的摩擦间隙,运行不够稳定等问题,同时,支点依靠行星轮机构驱动,也使得关节整体结构更为紧凑。在此基础上,课题对各功能模块进行分割,设计了包括刚度调节,刚调传动,主传动以及关节附属测量等功能模块的结构。其次,针对关节系统刚度模型中仍存在的非线性特性,利用刚度同支点偏移量之间的线性关系,对刚度模型进行了参数解耦合和泰勒展开处理,完成了刚度曲线的拟合。在此基础上,考虑到关节运行中输出刚度动态调整的需求,设计了基于轨迹发生器的给定值控制模式,实现了需求刚度、位置同电机轨迹之间的映射。之后,对控制算法的软硬件实现进行了研究,针对系统通讯、供电、电路集成化等要求,设计了具有命令处理、CAN通讯、RS485通讯、电压转换、状态指示等功能的硬件电路,并依据算法对其软件实现进行了编写和优化,完成了控制命令从上位机到下位机再到运动调节模块的传输与反馈,实现了控制系统的总体设计。最后,基于上述结构和控制系统,搭建了单关节实验平台,设计了静态刚度辨识、动态刚度跟随实验以及多种负载、刚度、需求信号下的位置跟随实验,对关节刚度特性和位置特性进行了实验验证,证实了课题设计的控制器在一定范围内实现刚度和位置连续调整的可行性。