类生物骨骼肌变刚度驱动器的仿生机理与优化设计方法研究

Conventional stiff motor actuation has the limitations of more energy consumption, unable to resist the impact and insufficient flexibility. Compliant variable stiffness actuation is the novel approach to enhance the intrinsic safety of medical rehabilitation robot when physically interacting with human. Since compliant mechanism has advantages of no joints, no friction, monolithic and no assembly, the overarching goal of this proposal is to develop bionic design and optimization methodology of skeletal muscle-like variable stiffness actuator (VSA) with compliant mechanism, based on the understanding of the underlying biomechanical mechanism of skeletal muscle. The project will focus on studying the dynamics of skeletal muscle contraction and optimization methodology of compliant mechanism for the novel VSA development, to reveal variable stiffness rules of skeletal muscle contraction and influence laws of geometric and physical parameters of compliant mechanism on mechanical properties of VSA. This study will solve these key scientific problems for VSA design, including bionic design principle, geometry optimization of compliant mechanism, dynamic analysis, integration optimization and performance evaluation of VSA. At last, a novel VSA prototype with features of large range adjustable stiffness, energy-efficient, compact and excellent performance will be developed based on these fundamental studies. Research results will deepen understanding of variable stiffness rules of skeletal muscle contraction, rich the optimization method of VSA design, providing fundamental and technical guidelines for compliant VSA development in medical rehabilitation robotics and other human centric robotic fields.

针对康复医疗机器人人机物理交互安全性对柔性变刚度驱动技术的实际需求，当前传统电机刚性驱动方式存在能耗多、无法抗冲击、柔性不足等缺点。本申请基于骨骼肌收缩的变刚度驱动原理，结合柔顺机构无间隙、无摩擦、结构紧凑、精度高等优点，提出基于柔顺机构的类生物骨骼肌变刚度驱动器优化设计方法研究课题。本项目将重点研究变刚度驱动器的仿生机理与柔顺变刚度机构的优化设计方法，揭示骨骼肌收缩动力学行为及其变刚度驱动原理；掌握柔顺机构中几何物理参数对变刚度驱动器力学性能的影响规律；解决变刚度驱动器设计中的仿生设计原理、柔顺机构构型优化、驱动器动力学分析、集成优化、性能评价等关键科学问题，形成大范围刚度可调、能量高效、结构紧凑及力学性能优异的新型柔性驱动器原型样机。项目的预期成果可加深对骨骼肌收缩变刚度规律的认识，丰富柔性变刚度驱动器的设计方法，为康复医疗机器人用变刚度驱动器的设计提供基础理论和关键技术支撑。

本项目以提高康复机器人柔顺性和安全性为目的，围绕变刚度驱动器的仿生设计原理、变刚度机构构型优化、驱动器动力学建模、能量转换效率评估以及非线性控制等方面开展深入研究，突破了变刚度驱动器设计与控制的多项关键技术。主要研究内容及重要结果包括：1）针对变刚度驱动器设计中结构复杂、刚度变化范围有限、系统非线性等问题，通过借鉴生物骨骼肌收缩的微观原理，采用对称式变支点杠杆机构，保证了弹簧的线性变形，增大了驱动器的储能能力，采用阿基米德螺线凸轮槽机构，实现了零至无穷大的刚度变化范围，降低了调节刚度所需力矩，变刚度驱动器最大输出扭矩可达25N·m，运动范围 ±180度；2）针对变刚度驱动器能量转化效率评估的问题，采用牛顿-欧拉理论建立了变刚度驱动器动力学方程，基于弹簧振子原理构建了包含驱动器输出刚度、输出杆位置及阻尼系数的储能模型，分析了驱动器运动过程中能量转化效率，测试结果表面最大能效可达82%；3）针对变刚度驱动器非线性控制问题，通过反馈线性化得到线性能控系统，基于极点配置的方法设计了状态反馈控制器对系统非线性进行补偿；建立了包含等效干扰项的状态方程，设计了非线性干扰观测器及状态反馈控制器，提高了驱动器抗干扰能力，实现了驱动器刚度和位置的高精度同步控制。实验表明，在承受3kg外部干扰时，在跟踪范围为±100º和10~110 N·m/rad，频率设为0.5Hz时其位置和刚度跟踪误差的均方根值分别小于0.3°和1.2 N·m/rad。本项目成果在《IEEE/ASME Transaction on Mechatronics》、《Mechanism and Machine Theory》、《Frontiers in Neurorobotics》、《华中科技大学学报》、《机器人》、IEEE ICRA等国内外权威刊物及会议上发表了论文11篇；授权了发明专利6项；培养了1名博士，3名硕士。总之，项目的研究成果不仅丰富了柔性变刚度驱动器的设计理论与控制方法，也为变刚度驱动器在康复医疗机器人中的应用提供基础理论和关键技术支撑。