大功率柔顺驱动器的设计方法及能量优化和交互安全机理研究

In order to minimize large forces due to shocks, to safely interact with the user, and to store and release energy, the trend towards “compliant” actuator is gradually being implemented, not only for high stiffness. However, most of the existing compliant actuators’ power is not very large, and energy efficiency under heavy load is not very high, theoretic and systematic design methods haven’t been proposed, all of these have hindered the development of high performance machines. Therefore, based on hydraulic servo system with large power and high frequency response, starting with modular and parametric design method and optimization, energy conversion and optimization, and interactive safety control, this project will study systematic design method of large power compliant actuator, and to reveal the laws of energy conversion and variable stiffness. The main research contents consist of how to design a large power compliant actuator with systematic design method, and how to reveal the energy conversion law and human-machine safely interact control mechanism in the compliant drives, how to optimize energy and control in real time large scale variable stiffness. To fulfil the purpose of improve energy efficiency, keep safety when machines interact with human and surroundings, improve environment adaptability, and improve driving quality and efficiency in fundament. The research results have very high social value, and can provide a systematic design method and theoretic foundation for designing a large power compliant actuator, contribute to realize large-scale application.

为了缓冲外部冲击、保证人机交互安全和实现能量存储/释放，驱动器正向着“柔性化”方向发展，不再片面追求高刚性。但现有的柔顺驱动器输出功率普遍偏小、大载荷情况下的能量使用效率偏低、无理论化和系统化的设计方法，已成为限制机器性能进一步提高的最大障碍。为此，本项目基于大功率高频响液压伺服驱动，从模块化参数化设计与优化、能量转换关系与优化以及交互安全控制角度入手，研究大功率柔顺驱动器的系统化设计方法，并揭示其所蕴含的能量转换和变刚度的规律。主要研究内容包括：给出一种大功率柔顺驱动器的体系化设计方法；揭示柔顺驱动中的能量转换规律和人机交互安全控制机理；实现能量优化和实时大范围变刚度控制；提高能量使用效率，确保机器与人或周围环境交互时的安全性，并改善环境适应性，从本质上提高驱动质量和效率。研究成果可以为柔顺驱动器提供系统性的设计方法与理论依据，有助于实现大规模推广应用，具有很高的社会价值。

液压柔顺驱动器兼具柔顺驱动器的柔顺优点和液压驱动器的高功率密度优点，在大功率驱动场合具有广阔的应用前景。项目基于大功率高频响液压伺服驱动技术，对液压柔顺驱动器的系统化设计，能量转换特性规律与优化控制和交互安全控制开展了相关研究，并进行了实验验证。.对动力源和变刚度机构与拉压力传感器进行了集成一体化设计，完成了驱动器的整体集成设计，并加工制作了液压柔顺驱动器及其实验平台。完成了控制系统的软硬件设计，制作了电路板，完成了系统的调试。.在对液压柔顺驱动器组成结构进行分析的基础上建立了其数学模型，通过扫频的方式得到了驱动器的空载位置频率曲线及驱动器输出端静止状态力频率曲线，然后通过MATLAB的ident系统辨识工具箱进行模型辨识得到了驱动器的空载位置模型和驱动器输出端静止状态力模型，最后得到了驱动器一般状态下的力模型。通过使用小波神经网络控制使系统实际输出跟随对称的模型输出，达到了位置对称控制的目的。通过使用自抗扰控制实时估计扰动及对扰动进行有效的补偿，取得了较好的力控制效果。.建立了液压能、驱动器能量、热能三种能量的动态模型，研究了竖直运动和水平运动两种典型运动过程中三种能量的转换规律，之后对这两种运动过程进行了补充能量控制，最后对运动过程进行了仿真及实验验证。结果表明在相同运动过程中液压柔顺驱动器的能耗远小于刚性驱动器，通过补充能量控制策略能够大大提高系统的能量使用效率。.为了保证机器与人或周围环境交互时的安全性，在不增加外部传感器的情况下，以液压柔顺驱动器中弹性体的形变作为碰撞检测信号，提出了碰撞远离、任务保持和随动控制三种不同的交互安全控制策略，并进行了仿真分析及实验验证。结果表明所提出的三种交互安全控制策略，均取得了较好的安全控制效果。.项目取得的研究成果将对液压柔顺驱动器在大功率机器人中的应用起到重要的支撑作用，并为其在步行机器人、机械外骨骼、康复机器人等的具体应用提供理论依据和技术支持。