可变刚度关节的机械设计与跟踪控制

摘要

可变刚度关节的固有被动柔顺性和关节输出刚度的可调整性可以提高机器人的任务适应性，能效性，鲁棒性和人-机物理交互安全性。依靠改变杠杆枢轴位置来调整关节输出刚度的串联配置可变传递率型可变刚度关节具有关节刚度调整能耗小的优点，而且在理论上可具有从零到无穷的关节输出刚度可调整范围。然而，受杠杆枢轴位置可移动范围的机械限位约束，现有的该类型的可变刚度关节往往存在关节输出刚度可调整范围有限的问题，且在结构设计方面有待优化和改进。设计结构紧凑、模块化程度高、关节输出刚度可调整范围更宽的串联配置可变传递率型可变刚度关节将有利于提高该类型可变刚度关节的任务适应性及碰撞安全性。与可变传递率型可变刚度关节相比，尽管拮抗型可变刚度关节在调整关节输出刚度时所消耗的能量较多，但拮抗型可变刚度关节具有非线性弹性单元可模块化设计、变刚度机构实施简单、输出轴无附加转动惯量、空间安装结构适应性强的优点。现有的拮抗型可变刚度关节大多存在非线性弹性单元体积较大，关节体积较大，输出轴转角范围受限或关节柔顺度较低等问题。设计结构紧凑、柔顺度高、关节输出刚度控制方法简单及输出轴转角范围不受限制的拮抗型可变刚度关节将有利于构建基于拮抗型可变刚度关节驱动的多自由度机械臂系统。考虑到可变刚度关节的系统动力学模型中可能存在的模型参数不确定性、未知摩擦扭矩、未知外部干扰以及输入饱和约束，设计能够实现可变刚度关节的输出连杆角位置和关节输出刚度跟踪控制的鲁棒控制方案是非常必要的。干扰观测器和线性扩展状态观测器是两种能够有效处理干扰的方法，而目前基于这两种干扰处理方法来实现可变刚度关节的鲁棒跟踪控制的相关研究很少。因此，针对可变刚度关节的位置和刚度的跟踪控制问题，有必要基于这两种干扰处理方法来设计新的鲁棒控制方案并考虑输入饱和约束、输入饱和补偿以及估计误差补偿以降低系统输出跟踪误差。本文以设计新的可变刚度关节的机械结构方案和设计新的可实现可变刚度关节的同时的位置和刚度跟踪的鲁棒控制方案为研究目标，研究内容如下。 (1)借鉴现有的具有较好的力传递特性的弹簧安装结构型式机械设计思想，设计了一种结构紧凑、装配体模块化程度高以及杠杆枢轴位置可移动范围更宽的弹性输出模块。借鉴现有的依靠改变枢轴位置来调整关节输出刚度的串联配置可变传递率型可变刚度关节的变刚度机构设计方案，结合所设计的新的弹性输出模块，展示了三种具有串联配置结构型式的可变传递率型可变刚度关节的机械设计方案。与现有的该类型可变刚度关节相比，所设计的可变传递率型可变刚度关节的弹性输出模块具有更好的力传递特性，关节输出刚度的可调整范围更宽，且在机械设计中兼顾了关节结构紧凑性设计和模块化设计。为设计关节输出刚度控制方便的可变传递率型可变刚度关节，基于丝杆螺母机构和连杆滑块组设计了一种新型的可调力臂长度的等效杠杆机构，基于该变刚度机构的可变刚度关节的关节输出刚度仅与等效杠杆机构的力臂长度有关，而与关节角度偏差和外部负载无关，关节输出刚度的控制方法简单。为设计结构简单、易于实施的等效非线性弹簧，提出了两种基于线性弹簧组的近似二次型非线性弹簧的机械设计方案，并基于所设计的近似二次型弹簧设计了两种具有串联配置结构型式的弹簧预紧型可变刚度关节的机械结构方案，近似二次型弹簧组的应用有利于该类型可变刚度关节的关节输出刚度的测量和控制。 (2)为设计结构紧凑、柔顺度高、输出轴转角范围不受限制的拮抗型可变刚度关节，提出了一种具有期望的扭矩-角位移关系且计算方法简单的等效非线性扭簧机械设计方案。考虑到结构紧凑、关节输出刚度易于控制的拮抗型可变刚度关节被用于构建多自由度机械臂的可能性及机械臂的肩关节、上臂关节、肘关节、前臂关节的不同致动需求和设计要求，分别设计了四种类型的等效二次型扭簧，并构建了四种类型的具有旋转自由度和摆动自由度的拮抗型可变刚度关节，具体为:1）机械臂肩关节（基座关节）应具有柔顺度高和稳定性高的特点，为此，设计了具有大角位移范围的等效二次型扭簧，并设计了两种结构型式的摩擦阻尼器以降低拮抗型可变刚度关节输出轴转动过程中可能出现的振动。2）机械臂的上臂关节应具有较高的弹性致动扭矩、较小的径向结构尺寸及紧凑的结构设计。为此，基于小尺寸线性压缩弹簧组和具有两个升程轮廓的空间圆柱凸轮-滚子机构设计了结构紧凑、径向尺寸小、弹性致动扭矩大的等效二次型扭簧，并构建了相应的拮抗型可变刚度关节。3）机械臂的肘关节应注重轻量化设计（提高机械臂末端关节的有效负载）和运动稳定性（提高末端关节的运动精度），应具有摆动自由度且避免持续的消耗能量以维持关节输出刚度。为此，在等效二次型扭簧的设计中直接采用线绳来压缩弹簧以降低其重量和结构尺寸，并采用具有自锁功能的蜗轮蜗杆传动机构来传递动力以避免持续的消耗能量来维持关节输出刚度，并对摆动型肘关节加入摩擦阻尼器以提高其运动稳定性。4）机械臂的前臂关节应具有紧凑的结构设计和较高的弹性致动扭矩。为此，在等效二次型扭簧的设计中采用多组小尺寸线性压缩弹簧以降低其径向结构尺寸，并对平面槽型凸轮设计了两个单向升程轮廓以提高等效二次型扭簧的最大弹性致动扭矩。 (3)考虑可变刚度关节的系统动力学模型中可能存在的模型参数不确定性，未知有界的摩擦扭矩以及未知有界的外部干扰，设计了基于反馈线性化和具有抗输入饱和措施的干扰观测器的可变刚度关节跟踪控制器。仿真结果展示了所设计的控制器的有效性、鲁棒性和良好的适用性。首先，利用坐标变换和反馈线性化，将包含复合干扰的非线性系统状态空间模型变换为具有集总干扰的线性系统模型。考虑到输入饱和约束对干扰观测器的干扰估计性能的影响，设计了针对干扰观测器的抗输入饱和措施。仿真比较结果显示，所设计的控制器与具有积分项的反馈线性化控制器相比，具有更好的参考轨迹跟踪性能和干扰抑制能力。而且，仿真比较结果表明，所设计的针对干扰观测器的抗输入饱和措施有利于降低由于输入饱和约束而造成的系统输出（输出连杆角位置和关节输出刚度）跟踪误差。 (4)为应对可变刚度关节跟踪控制器设计过程中的控制输入饱和约束问题，提出了两种类型的包含输入饱和补偿措施的可变刚度关节跟踪控制方案，仿真比较结果展示了所设计的控制器的有效性、鲁棒性以及所设计的输入饱和补偿措施有利于降低系统输出跟踪误差。控制方案一:首先，针对包含复合干扰和输入饱和约束的可变刚度关节的非线性系统状态空间模型，利用坐标变换和反馈线性化将其变换为包含集总干扰和输入饱和约束的线性系统模型，并利用具有抗输入饱和措施的干扰观测器来估计该线性化系统模型中的集总干扰。为应对输入饱和补偿问题并基于Lyapunov候选函数稳定性分析来证明闭环系统的半全局最终一致有界稳定性，设计了以滑模面为输入的自适应输入饱和补偿律并给出了包含输入饱和补偿项的滑模控制器表达式。控制方案二:利用非线性坐标变换，将包含复合干扰和输入饱和约束的可变刚度关节的非线性系统状态空间模型变换为具有输入饱和约束和匹配集总干扰的积分链型的伪线性系统，随后，将匹配的集总干扰扩展为新的系统状态并得到扩展型的积分链型的伪线性系统，并利用包含输入饱和约束的线性扩展状态观测器来估计上述扩展型伪线性系统中的系统状态。为应对输入饱和补偿问题并基于Lyapunov候选函数稳定性分析来证明闭环系统的半全局最终一致有界稳定性，设计了以滑模面为输入的自适应输入饱和补偿律并给出了包含输入饱和补偿项的滑模控制器表达式。仿真结果分别展示了所设计的两种控制方案的有效性及鲁棒性。而且，仿真比较表明，与基于反馈线性化和具有抗输入饱和措施的干扰观测器的控制方案相比，在所允许的较大的状态观测增益设置下，基于线性扩展状态观测器的跟踪控制方案更适合应对时变的未知外部干扰。 (5)针对具有固定预设观测增益的干扰观测器和线性扩展状态观测器可能存在估计误差的问题，分别设计了针对干扰观测器的干扰估计误差和线性扩展状态观测器的状态估计误差的补偿措施，仿真比较表明，所设计的估计误差补偿措施有利于降低系统输出跟踪误差，而且该估计误差补偿措施的引入对系统控制输入的响应所造成的影响有限。

目录

声明

摘要

宇母缩写说明

第一章绪论

1．1论文选题背景及研究意义

1．2 VSJ机械设计研究现状

1．2．1具有串联配置结构型式的可变传递率型VSJ的机械设计研究现状

1．2．2具有串联配置结构型式的弹簧预紧型VSJ的机械设计研究现状

1．2．3具有并列配置结构型式的拮抗型VS,I的机械设计研究现状

1．2．4 VSJ机械设计研究现状总结

1．3 VSJ跟踪控制研究现状

1．3．1 VSJ跟踪控制研究现状综述

1．3．2 VSJ跟踪控制研究现状分析

1．3．3 VSJ跟踪控制研究现状总结

1．4研究内容及章节安排

1．4．1研究内容及创新点

1．4．2论文章节安排

第二章具有串联配置结构型式的VSJ机械设计与致动特性分析

2．1引言

2．2具有串联配置结构型式的可变传递率型VSJ的机械设计

2．2．1关节输出刚度调整机构的选型

2．2．2弹性输出模块设计方案的选型

2．2．3基于阿基米德螺旋定位机构的串联配置可变传递率型VSJ的机械设计

2．2．4基于行星轮系传动机构的串联配置可变传递率型VSJ的机械设计

2．2．5基于锥齿轮组+滚珠丝杠机构的串联配置可变传递率型VSJ的机械设计

2．2．6三种具有串联配I结构型式的可变传递率型VSJ的机械设计对比

2．2．7三种具有串联配置结构型式的可变传递率型VSJ的系统动力学模型结构

2．3基于丝杠螺母机构和连杆滑块组的串联配置可变传递率型VSJ的机械设计

2．4两种具有串联配置结构型式的弹簧预紧型VSJ的机械设计

2．4．1基于近似二次型压缩弹簧的旋转型VSJ的机械设计

2．4．2基于近似二次型拉伸弹簧的摆动型vsJ的机械设计

2．5本章小结

第三章具有并列配置结构型式的拮抗型VSJ的机械设计与致动特性分析

3．1引言

3．2基于等效二次型扭簧的拮抗型VSJ的致动原理

3．3以构建机械臂为目的的基于等效二次型扭簧的拮抗型VSJ的设计

3．3．1基于拮抗型VSJ驱动的多自由度机械臂的不同关节的设计要求

3．3．2侧重运动稳定性及高柔顺度设计的旋转型肩关节设计

3．3．3侧重径向结构紧凑性设计的旋转型上臂关节设计

3．3．4侧重运动稳定性及轻量化设计的摆动型肘关节设计

3．3．5侧重结构紧凑性及高弹性致动扭矩设计的旋转型前臂关节设计

3．4基于双向等效二次型扭簧的拮抗型VSJ的致动特性分析

3．5基于等效指数型扭簧的拮抗型VSJ的致动特性分析

3．6本章小结

第四章基于反馈线性化和具有抗输入饱和措施的干扰观测器的VSJ跟踪控制器设计

4．1引言

4．2 VSJ跟踪控制的研究对象

4．3具有干扰的VSJ系统状态空间模型设置

4．4基于反馈线性化和干扰观测器的VSJ跟踪控制器设计

4．4．1坐标变换和反馈线性化

4．4．2控制器设计与稳定性分析

4．4．3干扰观测器的抗输入饱和措施设计

4．4．4控制方案框图

4．5跟踪控制仿真比较

4．6本章小结

第五章具有输入饱和补偿措施的VSJ跟踪控制器设计

5．1引言

5．2 VSJ跟踪控制的研究对象

5．3具有干扰和输入饱和约束的VSJ系统状态空间模型设置

5．4基于干扰观测器和滑模控制的VSJ跟踪控制器设计

5．4．1控制器设计与稳定性分析

5．4．2控制方案框图

5．4．3控制器参数设置

5．4．4速度估计滤波器设置

5．4．5跟踪控制仿真比较

5．5基于线性扩展状态观测器和滑模控制的VSJ跟踪控制器设计

5．5．1线性扩展状态观测器设计

5．5．2控制器设计与稳定性分析

5．5．3控制方案框图

5．5．4控制器参数设置

5．5．5跟踪控制仿真比较

5．6本章小结

第六章具有估计误差补偿措施的VSJ跟踪控制器设计

6．1引言

6．2具有干扰观测器干扰估计误差补偿措施的VSJ跟踪控制器设计

6．2．1控制器设计

6．2．2控制器参数设置

6．2．3干扰估计误差补偿效果仿真分析

6．3具有线性扩展状态观测器状态估计误差补偿措施的VSJ跟踪控制器设计

6．3．1控制器设计

6．3．2状态估计误差补偿效果仿真分析

6．4本章小结

第七章总结与展望

7．1总结

7．2论文不足与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文