并行双驱动变刚度系统的设计理论与控制研究

Safety is the key issue of physical human-robot interaction.At present,the strategy of rigid design plus active compliance can not fulfill the requirement of safty standards.Fortunately,the principle of variable stiffness of human joint provides a new solution.This project focused on analyzing the principle of joint actuation and stiffness regulation, research on the design and control of controllable variable stiffness actuation system. The biological parameters are measured through EMG electrodes and functional magnetic resonance imaging,the kinematic and mechanic parameters are measured by exoskeleton device.On the basis of the data acquired, the biomechanical model of elbow joint was established by gradient descent method, after that, a real-time stiffness estimation algorithom was developed.In order to study the discipline of stiffness regulation and evaluate its performance,a load test-bed was build. Furthermore, research on the mechanical construction of nonlinear spring mechanism through constrained optimization,and then research on the integration of actuation,sensing,and control. Finally, develop a variable stiffness joint with wide stiffness bandwidth and low energy consuming.In spite of all those above, research on the nonlinear state observer and feed-back linearization algorithm,so as to overcome the disadvantages of dynamic modeling due to acuation redundancy and flexibility, in the hope for solving the stiffness colse-loop control and librating problem.

安全性是机器人与人接触交互中的关键因素。目前机器人采用的刚性设计、柔顺控制的策略已经无法满足安全性需求。幸运的是，人体关节的刚度可控性为解决这一问题提供了新途径。本项目通过人体关节驱动方式与刚度调节规律的解析，研究可控变刚度驱动系统的设计与控制问题。 本项目通过肌电电极、医学影像等方法检测关节的生物学特征参数，通过外骨骼机构检测运动学及力学特征参数，采用梯度下降参数辨识方法构建肘关节的生物力学模型，在此基础上，通过机器学习研究刚度实时估计方法，并构建负载试验装置研究关节刚度调节的性能评估方法。通过约束优化方法研究非线性弹性机构的机械创成，研究驱动、感知、控制的集成化设计方法，进而研制一种刚度调节范围宽、调节所需能量少的可变刚度驱动关节。研究非线性状态观测与反馈线性化技术，克服驱动元件冗余及柔性等对动力学建模的影响，解决刚度闭环控制与运动抖动问题。

柔顺结构机器人的研究对提高人机交互的安全性具有重要的意义。关节柔性能够吸收部分碰撞能量，而储存的能量又可以适时释放出来，从而能够提高机器人的动态操作能力。本项目针对变刚度柔顺驱动关节进行研究。.1)研究了基于EMG的关节刚度估计方法。通过EMG电极采集前臂肌电信号，通过外骨骼式单自由度机械臂测量关节力矩及转角。以MAV为特征，利用支持向量机（SVR）实现了肌电信号中力信息提取方法，并通过粒子群算法进行参数优化提高了预测的准确度。最后，将关节等效为非线性弹性系统，结合关节转角信息建立了基于EMG的关节刚度估计方法。.2)在分析人体前臂关节驱动方式的基础上，对双电机驱动变刚度关节的位置控制方法进行了研究，通过建立双电机之间的同步误差模型，设计了滑膜变结构交叉耦合控制器，该控制器将位置误差和耦合误差分离，其中位置误差采用基于模型的变结构控制，耦合误差采用PD控制进行补偿，从而能够保证柔性关节的位置精度和电机之间的运动协调。.3)基于差速原理研制了一种可变刚度柔顺驱动关节。该关节具有两个电机，其中关节电机产生关节驱动力矩，刚度电机通过刚度调节机构改变关节的刚度；关节内部集成了基于应变原理的力矩传感器和电位计；此外，研制了基于FPGA的底层控制器、基于PCI的上层控制器以及实现上下层之间通讯的PP-LVDS高速串行总线，从而实现了关节的感知一体化设计。.4)针对变刚度关节的位置控制进行了研究，建立了具有弹性元件的柔性关节动力学模型，设计了基于反步法的关节位置控制器，仿真及实验表明该方法可以实现较高的位置精度。此外，建立了柔性关节的输入整形控制方法，能够快速衰减弹性振动，抑制关节抖动。.通过上述研究应用于假肢和服务机器人等可以提高机器人的接触安全性以及对未知环境的动态适应性，有助于机器人融入人类生活，具有重要意义。