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mcb工业机器人专题 外文翻译.doc
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MCB 工业机器人专题文章
弹性系列高保真力控制执行器
关键词:机器人,力控制,触觉,外骨骼,足机器人
摘要
在不受约束的环境中的机器人的力控制中,弹性执行器系列提供了许多好处。这些好处
包括高力保真度、极低的阻抗、低摩擦和良好的力量控制带宽。弹性系列执行器采用了新颖
的机械设计架构,这对普通机床的设计会起到很好的作用。一个符合元素之间放置着齿轮传
动和驱动负载,这样会减少执行机构的刚度。而要想精确地计算出一个位置传感器测量的挠
度变形和力输出就得使用胡克定律(F =不变)。控制循环及其伺服驱动器所需的输出力,以及
由此产生的致动器都有内在的冲击宽容、高力富达和极低阻抗。这些特性可用在许多应用程
序中,其中包括足机器人、人体器官移植扩增外骨骼、机器人手臂和触觉接口自适应悬架极
低的外骨骼。
介绍
在传统的制造业务中,机器人执行繁琐和重复的任务,要有很高的速度和精确度。在此
设置中,那里的环境控制和任务是重复的,那么位置控制的机器人跟踪预定义共同轨迹是最
佳的。然而,在高度非结构化的环境中,那里的环境,迫使控制的机器人,能够遵守环境是
必要的。在足机器人行走在崎岖地形的情况下,机器人手臂与用户交互,可以提高动物的外骨
骼,触觉接口,和其他机器人应用程序。
一个理想的可控力执行器将是一个完美的力量之源,并输出完全独立运动的负载。在现
实世界中,所有受力量控制的执行机构,都会有其局限性,这偏离完美的力源。这些限制包
括阻抗,表面阻力和带宽。一个驱动器阻抗是额外的力量在创建时输出的负荷运动。阻抗是
一个函数的频率的负荷运动,通常是频率的增加负载运动。一个容易的 backdriveable 系统被
认为是低阻抗。这种表面爬行或粘着摩擦的现象,目前在大多数设备的机械组件以及滑动接
触中出现。表面必须克服脱离力,这种限制的最小的力致动器是可以输出的。带宽驱动器的
频率激起的这种力量可以很精确的控制。带宽、功率元件、机械刚度、除其他事项外这三者
控制着系统增益饱和。在一个完美的力量之源中,阻抗是零(完全 backdriveable),黏附是
零,带宽是无限的。肌肉具有极低的阻抗、黏附和中等带宽,是目前最知名的驱动技术,接
近完美的力量之源。
现今执行器技术已严重限制力控制在应用中的使用特点。一个齿轮电机具有很高的
reflected-inertia 和很多表面阻力,而且很难回到驱动器。液压系统具有高密封摩擦而且往往是
几乎不可能回到驱动器。通过添加系列弹性元件,在这些传统的系统中,一个 force-controllable
致动器将会有低阻抗、低摩擦和良好的带宽。下面我们介绍其他国家的最先进的力可控制的
方法,然后我们将描述系列弹性执行器的一些细节。最后,我们描述一些典型的应用弹性执
行器系列。
国家的艺术力控制技术
传统的力控制技术,包括直接驱动器驱动、齿轮驱动器的电流控制、低摩擦驱动器电缆
传输控制、具有力反馈的负载细胞控制、流体压力控制以及电流控制。
在一个直接驱动致动器中,一个高质量的伺服电机直接连接到负载上,它的力矩输出的精确
程度取决于扭矩之间的关系和电机电流。然而,伺服电机的运作依旧没有效率较低的速度和
高扭矩所需的大多数机器人应用程序。为了弥补自己的小扭矩,直接驱动伺服电机选择了额
定功率比实际有用功率高得多的输出。这种做法导致了笨拙和昂贵的设计。而直接驱动执行
器是一个很好的近似一个完美的力量之源,他们通常是太大,沉重的机器人,这种机器人必须
支撑他们的执行器的重量。因此,它们的使用仅限于执行器可以放置在一个非移动机器人基
地的应用。
另外,小和更轻的伺服电机,可用于在低速/高扭矩的应用场合,与此同时一个齿轮减速
用于降低车速,并增加电机的输出力矩。在大多数机器人工作的理想情况下,电机运行在它
的“甜蜜点”(高速/低扭矩),同时提供低速/高扭矩输出的特性。在电流控制下,输出力可以
由齿轮执行器来控制输出。
齿轮减速会引进重大摩擦,并且在变速箱的输出中反映惯性。事实上,摩擦可以成为无限
多的在某些类型的 non-backdriveable 齿轮减排和大幅减少的因素。这种情况将导致极其恶劣
的力量保真度。由于执行器的输出反射着惯性齿轮比平方的增加,驱动器的阻抗也变得非常
大。鉴于这些性能特点,依靠电流控制的伺服电机齿轮是不适合用于应用程序足机器人的,
而需要高质量的力量来控制其执行机构。
尽管使用有线传动代替传统齿轮,但齿轮执行机构有非线性、连续动力学如表面阻力和
反弹,这是很难模型的,所以难以弥补。对于电缆驱动器变速箱,它具有低粘滞和低反弹。他
们的动力是相当线性的,所以很容易模型。传动的动力学模型可以通过迫使控制器来帮助掩
盖效应和粘滞摩擦装置的惯性。然而,电缆驱动器的要求,以获得一个重要的传动比大滑轮
为目的。在许多应用中,空间太有限,所以很难适合这些大型滑轮系统。
减轻摩擦的影响,介绍了传统的齿轮执行机构中的惯性,如上面所描述的,可以使用一个负
载细胞和反馈控制算法。负载细胞措施上实施了力载荷致动器。反馈控制器计算之间的误差
测量力和所需的力量可以应用于适当的电流电机中来纠正任何不符点。活动中的迫使传感和
闭环控制一起工作来减少摩擦和惯性的影响,从而达到一个更高的力量输出和低阻抗比。
然而,负载细胞的方法有一下几个缺点。首先,僵硬的称重传感器呈现稳定的问题。在
僵硬负载细胞之间的线性驱动器和刚性负载的情况下,即使是轻微的直线运动将产生非常大
的力量称重传感器读数。一个高增益反馈控制器执行机构将迅速拉离负荷,造成力迅速下降。
其结果将是驱动器和负载之间的喋喋不休。并且在驱动器和负载之间也会出现喋喋不休。为
了避免颤抖和维护稳定,闭环控制的提升都必须保持在非常低的水平。但这样就会出现一个
缓慢控制系统进而无法应对小部队。因此,摩擦和惯性的影响,不能完全被闭环控制系统掩
盖。此外,冲击载荷可以很容易损坏执行器系统,如果采用僵硬的负载单元,称重传感器和
齿轮减速很容易受到频繁和昂贵的损害。
虽然电动执行机构可以通过控制电流、气动和液压系统,来控制压力和力量。但在这两
种情况下,密封摩擦会大大阻碍生产小型部队的能力。气动系统也会遭受低功率密度和难以
控制位置的危害。液压系统通常有高阻抗,这归功于密封摩擦和大型射流惯性。射流肌肉或
McKibben 肌肉是气动执行机构,在这其中一个弹性变形管创建了一个收缩力。因为射流肌
肉没有任何滑动密封,因此可以可靠地生产小型部队,但由于其非线性响应、滞回和小冲程长
度比例,因此他们通常都不是一个好的选择力控制的应用程序。
弹性执行器系列
弹性执行器系列,具有低阻抗和摩擦,从而可以实现高品质的力量控制.因此他们适合
用在非结构化环境中的机器人。在系列弹性致动器中,僵硬的负载细胞(这是微妙的,昂贵的,
从而引发喋喋不休)替换为一个明显兼容弹性元件(这是健壮的,便宜,而且稳定)。图1显示了系
列弹力执行机构的架构。请注意,系列弹性执行器负载传感器和闭环控制系统的任何议案驱
动器拓扑结构相似。
图 1:一个系列弹性执行器的示意图
类似于负载单元方法,系列执行器使用活动的力弹性传感和闭环控制来减少摩擦和惯性
的影响。测量压缩兼容的元素,可以利用胡克定律计算负载力。而反馈控制器,可以计算错
误之间的实际力量和所需的力量,从而运用适当的电流、电机,以纠正任何势力错误。
与负载细胞的方法相比,弹性系列显著遵守执行器的输出和负载之间的关系,从而大大
提高了控制增益。上述考虑符合它们之间的线性驱动和刚性负载的情况。这样一个温和的直
线运动,将产生一个非常小的力量读。因此,闭环控制收益可能非常高,同时仍然确保没有喋
喋不休的存在性和稳定性。控制增益的增加,大大降低了阻抗增加背部的操控性,并且也减
少黏附的影响,最后清洁力输出给执行机构。更重要的是高阻抗和高黏附组件是容忍的,可
以降低成本并且重量允许使用更小、精度低,这样驱动器组件、简单的弹簧和位置传感器
(编码器,电位器)就还可以取代昂贵的负载细胞。这些改进可以实现在电动和液压驱动域
中。
僵硬称重传感器与执行器相比,弹性系列执行器具有以下优点:
1。执行器具有较低的输出阻抗和较少的背部操控性,即使在液压系统中。电机惯量和
齿轮传动摩擦(或流体的惯性和摩擦密封)的动态效果几乎是无形的输出。在传统的系统中,
执行机构的动态往往是占主导地位的机制动态,使其难以完成预定是任务,确保高力保真度。
2。抗冲击性,大大提高了传动系统和负载之间串联的连贯性。
3。力传输的保真度(或平滑)中,齿轮减速或活塞不再是至关重要的,允许使用廉价
的齿轮减速。齿轮通常传输力远远高于保真度的位置。该系列弹性作为齿轮减速之间的输出
位置传感器和负载力,可以大大增加力量控制的保真度。
4。电机所需的力高保真度大幅减少,允许使用廉价的马达。
5。力控制的稳定性得到了改善,甚至在断断续续地的情况下。。
6。能量可以储存和释放的弹性元件,可以提高效率。动物通常采用弹性的肌腱,而肌
肉做工作的总体要少得多,否则将需要在一个机车周期的一部分中储存能量,并在另一个机
车周期中释放它。系列弹性执行器可能会允许同样的效果发生在机器人外骨骼或其他应用程
序机器人中,从而扩大其活动范围。
7。执行器在高频率下的被动阻抗。传统的驱动器阻抗类似于一个大的惯性,在高频率
下(电机的转子惯量乘以齿轮比的平方), A 系列弹性执行器看起来像一个高频率的机构,
这是更为宽容的碰撞和其他意想不到的相互作用。
Yobotics 公司已开发了两个市售电磁线性系列(图 2)弹性执行器。这些驱动器正在应
用于机器人手臂、腿机器人、外骨骼和工业中。由于设计简单,定制系列弹性执行器也可以
很容易地开发和遗留系统改造。
图 2:两个弹性执行器系列 CAD 渲染。
从宏观层面上看,驱动器可以被认为由两个组件组成:一个驱动器列车车厢和一个输出组件
刀片组。输出马车刀片组爆炸视图(除了传动组件)如图 3 所示。组装时,输出托架组件、
刚性结构以及耦合传动系统通过模具压缩弹簧组件。弹簧固定器板(三明治)由模具弹簧和
球螺母法兰组成。导轨通过衬套在球螺母法兰上,迫使球坚果在滚珠螺杆旋转是沿直线运动。
导轨还通过保留在钢板上的弹簧衬套迫使整个输出马车组件遵循沿滚珠螺母的直线运动。
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omyligaga
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