1、PDF外文：http:/ 中文 6110字 出处： Industrial Robot: An International Journal, 2002, 29(3): 234-241 弹性系列高保真力控制执行器 Pratt J, Krupp B, Morse C 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
2、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 =KX 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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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 。
8、 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 ,
9、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
10、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
11、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
12、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。 &nb
13、sp; 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
14、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
15、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
16、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
