摘要：安全的人机交互和适应环境的仿生运动都要求机器人关节具有柔顺性。为了解决现有被动型柔顺驱动器存在的对不同外负载适应性弱、需要额外的刚度调节电机以及刚度与负载不匹配等问题,设计了一种新型非线性刚度柔顺驱动器,采用“凸轮+扭簧”机构结合齿轮传动,可实现给定的双向非线性刚度。首先,介绍了非线性刚度机构的工作原理、凸轮有效轮廓曲线的计算方法以及非线性刚度柔顺驱动器的工作原理;其次,基于提出的双向非线性刚度机构设计了柔顺驱动器样机;最后,对所设计的柔顺驱动器进行了性能评估。通过对样机刚度特性的仿真和试验分析,验证了所设计的柔顺驱动器能够较好地按给定的非线性刚度特性曲线进行刚度调节;通过与相近的驱动器的对比,表明所设计的柔顺驱动器具有优良的综合特性;通过对具有不同力矩峰值和频率的正弦力矩信号的跟踪试验,初步验证了所设计的柔顺驱动器具有良好的力矩控制性能。研究结果表明所提出的设计方法有效,可为机器人关节驱动器的设计提供新思路。

摘要：基于"小负载,低刚度;大负载,高刚度"的非线性刚度驱动器(NSCA)优化了可变刚度驱动器(VSA)的工作区间,具有交互力小时力分辨率高,交互力大时响应速度快的优点。但在复杂的人机交互控制过程中,由于难以对干扰和噪声建立准确的数学模型,故而严重影响到系统的控制精度。因此,本文利用基于观测估计干扰并实施补偿的干扰观测器(DOB)解决非线性刚度驱动器的此类问题。首先,根据非线性刚度驱动器动力学模型建立了控制系统状态方程以及干扰观测器,利用李雅普诺夫方法分析系统稳定性并给出了稳定条件;然后,根据该稳定条件将干扰观测器算法应用于非线性刚度驱动器控制系统中得到实验数据。最后,实验结果表明,采用干扰观测器算法将非线性刚度驱动器在阻抗控制模式下的刚度误差降低了85.71%,大幅度提高了驱动器控制精度。

摘要：恒定刚度的串联弹性驱动器(SEA)的控制性能受刚度的限制,存在着系统安全性与带宽之间的矛盾.可变刚度驱动器(VSA)在一定程度上解决了高安全性与高控制带宽之间的矛盾,但其采用的刚度调节电机增加了结构的复杂性.基于"小负载,低刚度;大负载,高刚度"的人机交互策略的负载选择的非线性刚度驱动器(LDNSA)是一种新的具有良好应用前景的驱动方案.通过Simulink仿真和试验探讨了LDNSA在不同的刚度区间(不同的负载条件)的力矩控制性能,并与不同刚度的SEA的控制性能进行了比较分析.结果表明:与SEA相比,虽然LDNSA的力矩响应平稳性比低刚度的和高刚度SEA差,但LDNSA在负载较小时具有高安全性的同时依然能保证高的控制带宽,而负载较大时,LDNSA的控制带宽更高且力矩响应平稳性能增强.