基于电机控制的低阻抗弹性驱动器设计

摘要

弹跳机器人是目前机器人学科一个重要的发展方向，在反恐防爆、考古勘察、军事、地质勘探以及航天探索等诸多领域都具有广阔的应用前景。本文针对弹跳机器人领域的一个重要研究方向，具有低阻抗输出特性的电机驱动弹性驱动器展开研究，以期完成一种利用弹性结构实现的电机驱动小阻抗弹跳机器人腿部驱动装置。
　　本文在论述国内外弹跳机器人及其驱动装置发展概况的基础上，对此类弹性驱动器进行了理论建模分析，着重分析了驱动器的频域特性，主要包括驱动器的驱动带宽和阻抗特性，通过分析表明弹性驱动器的带宽与弹性器件的刚度以及阻尼比直接相关，同时也与控制系统参数相关，通过增大弹性器件刚度和阻尼比可以明显增大带宽，但驱动器的输出阻抗同样有所增大。在实际使用中需根据需要进行优化调整。在理论特性分析的基础上，进行了驱动器的机械结构设计，主要包括一种滑杆导轨式弹性结构、丝杠刚性位移推动结构、弹性元器件变形测量装置以及电机等元件的选型，并对关键机械部件的加工以及工艺特性进行了探讨，最后，对机械结构的一些关键器件进行了有限元强度分析，并最终加工完成了该弹性驱动器。本文还针对弹跳机器人腿部驱动装置中驱动元器件,直流伺服电机，设计了驱动电路以及编码器测量电路，其中驱动电路采用LM18245驱动芯片配以EPLD完成，编码器测量电路采用EPLD电路完成，最终加工完成了该电路。
　　本文对驱动器的驱动特性进行了仿真分析，仿真分析主要完成了不同阻抗以及驱动带宽条件下驱动器的输出，用以提供驱动器在特定条件下所需的驱动参数。本文同时利用完成的弹性驱动器和相应驱动电路在DSpace平台上进行了驱动力输出实验，对其阻抗、带宽等进行了试验分析，实验结果表明，该驱动器可以稳定工作，但其特性偏软，带宽较低，这在后续工作中将通过改善弹性元器件性能及控制算法等方法加以完善。

目录

基于电机控制的低阻抗弹性驱动器设计

The Elastic Actuater of Low Impedance Using Electromotor

摘 要

Abstract

目 录

绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 弹跳机器人驱动装置的研究现状

1.3 弹性驱动器驱动方式分析

1.4 论文主要研究内容

第2章 弹性驱动器的原理模型

2.1 引言

2.2 弹性驱动器总体模型

2.3 弹性驱动器频率域模型

2.4 弹性驱动器驱动特性

2.5 驱动饱和态分析

2.6 有阻尼系统弹性驱动器模型分析

2.7 本章小结

第3章 弹性驱动器的结构设计

3.1 引言

3.2 系统结构及控制方式

3.3 弹性驱动器机械结构设计

3.4 关键部件有限元结构强度分析

3.5 本章小结

第4章 基于EPLD的直流电机驱动系统设计

4.1 引言

4.2 直流电机驱动系统框图

4.3 直流驱动电路设计

4.4 编码器反馈信号处理电路

4.5 限位开关处理电路设计

4.6 EPLD电路设计

4.7 本章小结

第5章 驱动器仿真与实验

5.1 引言

5.2 系统仿真

5.3 系统构成

5.4 实验分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢