【摘要】：可變剛度關節(jié)的固有被動柔順性和關節(jié)輸出剛度的可調整性可以提高機器人的任務適應性,能效性,魯棒性和人-機物理交互安全性。依靠改變杠桿樞軸位置來調整關節(jié)輸出剛度的串聯(lián)配置可變傳遞率型可變剛度關節(jié)具有關節(jié)剛度調整能耗小的優(yōu)點,而且在理論上可具有從零到無窮的關節(jié)輸出剛度可調整范圍。然而,受杠桿樞軸位置可移動范圍的機械限位約束,現(xiàn)有的該類型的可變剛度關節(jié)往往存在關節(jié)輸出剛度可調整范圍有限的問題,且在結構設計方面有待優(yōu)化和改進。設計結構緊湊、模塊化程度高、關節(jié)輸出剛度可調整范圍更寬的串聯(lián)配置可變傳遞率型可變剛度關節(jié)將有利于提高該類型可變剛度關節(jié)的任務適應性及碰撞安全性。與可變傳遞率型可變剛度關節(jié)相比,盡管拮抗型可變剛度關節(jié)在調整關節(jié)輸出剛度時所消耗的能量較多,但拮抗型可變剛度關節(jié)具有非線性彈性單元可模塊化設計、變剛度機構實施簡單、輸出軸無附加轉動慣量、空間安裝結構適應性強的優(yōu)點�，F(xiàn)有的拮抗型可變剛度關節(jié)大多存在非線性彈性單元體積較大,關節(jié)體積較大,輸出軸轉角范圍受限或關節(jié)柔順度較低等問題。設計結構緊湊、柔順度高、關節(jié)輸出剛度控制方法簡單及輸出軸轉角范圍不受限制的拮抗型可變剛度關節(jié)將有利于構建基于拮抗型可變剛度關節(jié)驅動的多自由度機械臂系統(tǒng)�？紤]到可變剛度關節(jié)的系統(tǒng)動力學模型中可能存在的模型參數(shù)不確定性、未知摩擦扭矩、未知外部干擾以及輸入飽和約束,設計能夠實現(xiàn)可變剛度關節(jié)的輸出連桿角位置和關節(jié)輸出剛度跟蹤控制的魯棒控制方案是非常必要的。干擾觀測器和線性擴展狀態(tài)觀測器是兩種能夠有效處理干擾的方法,而目前基于這兩種干擾處理方法來實現(xiàn)可變剛度關節(jié)的魯棒跟蹤控制的相關研究很少。因此,針對可變剛度關節(jié)的位置和剛度的跟蹤控制問題,有必要基于這兩種干擾處理方法來設計新的魯棒控制方案并考慮輸入飽和約束、輸入飽和補償以及估計誤差補償以降低系統(tǒng)輸出跟蹤誤差。本文以設計新的可變剛度關節(jié)的機械結構方案和設計新的可實現(xiàn)可變剛度關節(jié)的同時的位置和剛度跟蹤的魯棒控制方案為研究目標,研究內容如下。(1)借鑒現(xiàn)有的具有較好的力傳遞特性的彈簧安裝結構型式機械設計思想,設計了一種結構緊湊、裝配體模塊化程度高以及杠桿樞軸位置可移動范圍更寬的彈性輸出模塊。借鑒現(xiàn)有的依靠改變樞軸位置來調整關節(jié)輸出剛度的串聯(lián)配置可變傳遞率型可變剛度關節(jié)的變剛度機構設計方案,結合所設計的新的彈性輸出模塊,展示了三種具有串聯(lián)配置結構型式的可變傳遞率型可變剛度關節(jié)的機械設計方案。與現(xiàn)有的該類型可變剛度關節(jié)相比,所設計的可變傳遞率型可變剛度關節(jié)的彈性輸出模塊具有更好的力傳遞特性,關節(jié)輸出剛度的可調整范圍更寬,且在機械設計中兼顧了關節(jié)結構緊湊性設計和模塊化設計。為設計關節(jié)輸出剛度控制方便的可變傳遞率型可變剛度關節(jié),基于絲桿螺母機構和連桿滑塊組設計了一種新型的可調力臂長度的等效杠桿機構,基于該變剛度機構的可變剛度關節(jié)的關節(jié)輸出剛度僅與等效杠桿機構的力臂長度有關,而與關節(jié)角度偏差和外部負載無關,關節(jié)輸出剛度的控制方法簡單。為設計結構簡單、易于實施的等效非線性彈簧,提出了兩種基于線性彈簧組的近似二次型非線性彈簧的機械設計方案,并基于所設計的近似二次型彈簧設計了兩種具有串聯(lián)配置結構型式的彈簧預緊型可變剛度關節(jié)的機械結構方案,近似二次型彈簧組的應用有利于該類型可變剛度關節(jié)的關節(jié)輸出剛度的測量和控制。(2)為設計結構緊湊、柔順度高、輸出軸轉角范圍不受限制的拮抗型可變剛度關節(jié),提出了一種具有期望的扭矩-角位移關系且計算方法簡單的等效非線性扭簧機械設計方案�？紤]到結構緊湊、關節(jié)輸出剛度易于控制的拮抗型可變剛度關節(jié)被用于構建多自由度機械臂的可能性及機械臂的肩關節(jié)、上臂關節(jié)、肘關節(jié)、前臂關節(jié)的不同致動需求和設計要求,分別設計了四種類型的等效二次型扭簧,并構建了四種類型的具有旋轉自由度和擺動自由度的拮抗型可變剛度關節(jié),具體為:1)機械臂肩關節(jié)(基座關節(jié))應具有柔順度高和穩(wěn)定性高的特點,為此,設計了具有大角位移范圍的等效二次型扭簧,并設計了兩種結構型式的摩擦阻尼器以降低拮抗型可變剛度關節(jié)輸出軸轉動過程中可能出現(xiàn)的振動。2)機械臂的上臂關節(jié)應具有較高的彈性致動扭矩、較小的徑向結構尺寸及緊湊的結構設計。為此,基于小尺寸線性壓縮彈簧組和具有兩個升程輪廓的空間圓柱凸輪-滾子機構設計了結構緊湊、徑向尺寸小、彈性致動扭矩大的等效二次型扭簧,并構建了相應的拮抗型可變剛度關節(jié)。3)機械臂的肘關節(jié)應注重輕量化設計(提高機械臂末端關節(jié)的有效負載)和運動穩(wěn)定性(提高末端關節(jié)的運動精度),應具有擺動自由度且避免持續(xù)的消耗能量以維持關節(jié)輸出剛度。為此,在等效二次型扭簧的設計中直接采用線繩來壓縮彈簧以降低其重量和結構尺寸,并采用具有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動機構來傳遞動力以避免持續(xù)的消耗能量來維持關節(jié)輸出剛度,并對擺動型肘關節(jié)加入摩擦阻尼器以提高其運動穩(wěn)定性。4)機械臂的前臂關節(jié)應具有緊湊的結構設計和較高的彈性致動扭矩。為此,在等效二次型扭簧的設計中采用多組小尺寸線性壓縮彈簧以降低其徑向結構尺寸,并對平面槽型凸輪設計了兩個單向升程輪廓以提高等效二次型扭簧的最大彈性致動扭矩。(3)考慮可變剛度關節(jié)的系統(tǒng)動力學模型中可能存在的模型參數(shù)不確定性,未知有界的摩擦扭矩以及未知有界的外部干擾,設計了基于反饋線性化和具有抗輸入飽和措施的干擾觀測器的可變剛度關節(jié)跟蹤控制器。仿真結果展示了所設計的控制器的有效性、魯棒性和良好的適用性。首先,利用坐標變換和反饋線性化,將包含復合干擾的非線性系統(tǒng)狀態(tài)空間模型變換為具有集總干擾的線性系統(tǒng)模型�？紤]到輸入飽和約束對干擾觀測器的干擾估計性能的影響,設計了針對干擾觀測器的抗輸入飽和措施。仿真比較結果顯示,所設計的控制器與具有積分項的反饋線性化控制器相比,具有更好的參考軌跡跟蹤性能和干擾抑制能力。而且,仿真比較結果表明,所設計的針對干擾觀測器的抗輸入飽和措施有利于降低由于輸入飽和約束而造成的系統(tǒng)輸出(輸出連桿角位置和關節(jié)輸出剛度)跟蹤誤差。(4)為應對可變剛度關節(jié)跟蹤控制器設計過程中的控制輸入飽和約束問題,提出了兩種類型的包含輸入飽和補償措施的可變剛度關節(jié)跟蹤控制方案,仿真比較結果展示了所設計的控制器的有效性、魯棒性以及所設計的輸入飽和補償措施有利于降低系統(tǒng)輸出跟蹤誤差�？刂品桨敢�:首先,針對包含復合干擾和輸入飽和約束的可變剛度關節(jié)的非線性系統(tǒng)狀態(tài)空間模型,利用坐標變換和反饋線性化將其變換為包含集總干擾和輸入飽和約束的線性系統(tǒng)模型,并利用具有抗輸入飽和措施的干擾觀測器來估計該線性化系統(tǒng)模型中的集總干擾。為應對輸入飽和補償問題并基于Lyapunov候選函數(shù)穩(wěn)定性分析來證明閉環(huán)系統(tǒng)的半全局最終一致有界穩(wěn)定性,設計了以滑模面為輸入的自適應輸入飽和補償律并給出了包含輸入飽和補償項的滑�？刂破鞅磉_式�？刂品桨付�:利用非線性坐標變換,將包含復合干擾和輸入飽和約束的可變剛度關節(jié)的非線性系統(tǒng)狀態(tài)空間模型變換為具有輸入飽和約束和匹配集總干擾的積分鏈型的偽線性系統(tǒng),隨后,將匹配的集總干擾擴展為新的系統(tǒng)狀態(tài)并得到擴展型的積分鏈型的偽線性系統(tǒng),并利用包含輸入飽和約束的線性擴展狀態(tài)觀測器來估計上述擴展型偽線性系統(tǒng)中的系統(tǒng)狀態(tài)。為應對輸入飽和補償問題并基于Lyapunov候選函數(shù)穩(wěn)定性分析來證明閉環(huán)系統(tǒng)的半全局最終一致有界穩(wěn)定性,設計了以滑模面為輸入的自適應輸入飽和補償律并給出了包含輸入飽和補償項的滑�？刂破鞅磉_式。仿真結果分別展示了所設計的兩種控制方案的有效性及魯棒性。而且,仿真比較表明,與基于反饋線性化和具有抗輸入飽和措施的干擾觀測器的控制方案相比,在所允許的較大的狀態(tài)觀測增益設置下,基于線性擴展狀態(tài)觀測器的跟蹤控制方案更適合應對時變的未知外部干擾。(5)針對具有固定預設觀測增益的干擾觀測器和線性擴展狀態(tài)觀測器可能存在估計誤差的問題,分別設計了針對干擾觀測器的干擾估計誤差和線性擴展狀態(tài)觀測器的狀態(tài)估計誤差的補償措施,仿真比較表明,所設計的估計誤差補償措施有利于降低系統(tǒng)輸出跟蹤誤差,而且該估計誤差補償措施的引入對系統(tǒng)控制輸入的響應所造成的影響有限。
【圖文】：

１．２邋ＶＳＪ機械設計研究現(xiàn)狀逡逑１．２．１具有串聯(lián)配置結構型式的可變傳遞率型ＶＳＪ的機械設計研究現(xiàn)狀逡逑如圖１－１所示，具有串聯(lián)配置結構型式的可變傳遞率型ＶＳＪ通常有以下三種逡逑類型的關節(jié)輸出剛度調整方式［２５］，分別為：（ａ）樞軸（ｐｉｖｏｔ）和力作用點位置保逡逑持不變，改變彈簧在杠桿臂上的位置。（ｂ）樞軸和彈簧位置保持不變，改變力作逡逑用點在杠桿臂上的位置。（ｃ）彈簧和力作用點位置保持不變，沿杠桿臂方向改變逡逑樞軸的位置。對于圖ｌ－ｌ（ｃ）所示的ＶＳＪ關節(jié)輸出剛度調整方式而言，當樞軸沿杠桿逡逑移動時，杠桿力臂比率１＾／１＾將發(fā)生變化。當樞軸與彈簧相對齊時（ＬｆＯ），關節(jié)逡逑輸出剛度將為零。當樞軸與負載作用點相對齊時（Ｌ２＝０），關節(jié)輸出剛度為無窮大。逡逑Ｐｉｖｏ＾邋Ｓｐｒｉｎｇｓ＾＾邋Ｆｏｒｃｅｊ邋Ｐｌｖ＾邋Ｆｏｒｃｅ，邋Ｓｐｒｉｎｇｓ＾＾邋Ｓｐｒｉｎｇｓ＾＾邋Ｐｉｖｏ＾邋Ｆ0ｒｃｅ，，逡逑Ｌｅｖｅｒ邋ａｒｍ邐＾邋Ｌｅｖｅｒ邋ａｒｍ邐邐Ｌ

山東大學博士學位論文逡逑Ｂｙｅｏｎｇ－Ｓａｎｇ邋Ｋｉｍ邋ｅｔ邋ａｌ．設計的ＨＤＡＵ［２７’２８］也是通過沿杠桿移動彈簧的位置來逡逑調整關節(jié)輸出剛度。如圖１－３所示，ＨＤＡＵ由混合控制模塊和驅動模塊所組成，逡逑其混合控制模塊采用一種改進的齒輪齒條式行星輪系來調節(jié)彈簧的位置。ＨＤＡＵ逡逑通過調節(jié)內齒輪和行星架的角位置，能夠實現(xiàn)關節(jié)位置和剛度的同時控制。逡逑Ｒｏｌｌｅｒｆｏｌｔｅ？ＣＴ邐＾邐Ｊ￣￣ｆ邐｜ｊ邋．逡逑夬 ？１逡逑丨一—．：：；Ｉ——ｒ２’，N邋；．知丨逡逑ａｒｍ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邐Ｉｎｔｅｒｎａｌ，邋ｒｉｎｇ邋ｇｅａｒ邋１邐ｏｕｔｅｒ邋ｃａｓｅ）邋ｍｏｄｕｌｅ邐ｉｍｏｄｕｉｃ逡逑（ａ）邐（ｂ）邐（ｃ）逡逑圖１－３邋ＨＤＡＵ的機械結構ＣＡＤ視圖及實物圖ＨＤＡＵ的齒輪齒條式變剛度機構的ＣＡＤ逡逑結構視圖；（ｂ）邋ＨＤＡＵ的齒輪齒條傳動機構的ＣＡＤ局部剖視圖；（ｃ）邋ＨＤＡＵ的裝配體實物圖。逡逑ＬｕｄｏＣ．邋Ｖｉｓｓｅｒｅｔａｌ．設計的ｖｓａＵＴ［２９］（如圖ｌ－４（ａ，ｂ）所不）通過改變杠桿的負逡逑載作用點位置來調節(jié)杠桿力臂的有效長度，其剛度調節(jié)方式如圖ｌ－ｌ（ｂ）所示。ｖｓａＵＴ逡逑的最小關節(jié)輸出剛度將取決于彈簧的剛度系數(shù)。孫欣然提出的變剛度踩關節(jié)［３（）］如逡逑圖ｌ－４（ｃ，ｄ）所示，該ＶＳＪ由動力輸入和彈性輸出兩部分組成，通過齒輪齒條傳動機逡逑構來實現(xiàn)載荷作用點（輸出力作用點）的改變
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH122
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本文編號：2615479