MCB工业机器人专题-外文翻译(共20页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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。 图3：引爆视图显示输出马车传动拆解。 在操作过程中，伺服电机直接驱动滚珠丝杠，

15、与此同时滚珠螺母的直线运动转换成旋转运动。当电机旋转时,根据电机旋转的方向，球螺母移动右手或船尾丝杆。最后球螺母法兰推动两个(四)死压缩弹簧。反过来,这两个活跃压缩弹簧压死对应弹簧固定器板，弹簧固定器板都是严格的附加到输出皮搋子上,这是直接连接到负载上的。因此，当电机的旋转运动转换为直线运动时，球螺母模压缩弹簧负载，通过传输力量将其推动。在负载上的力的计算是通过测量模具弹簧压缩与线性弹簧固定器板电位器跨越来计量的。图4显示了执行机构申请零的力量，+300磅-300磅。一个比例微分（PD）的控制回路是用来控制负载的实际力量。 图4：执行器显示在卸载，+300磅负载，300磅负载配置。 如果这些执

16、行机构采用刚性负载细胞取代系列弹性元件,他们也会有高输出阻抗和高摩擦,因此是可怜的力量来源。然而，执行器系列弹性很敏感，并可以实现在温和的力量振幅下具有高带宽和低输出阻抗。最低解析生效，这是由残余粘连有限引起的，大约是的1磅的重量。每个驱动器的规格可以由表1查询。 表1：驱动器的规格 SEA-23-23 SEA-12-25 表2中，系列弹性执行器与传统的驱动方式相比较。系列弹性力齿轮减速电机的保真度和液压系统，使他们可比直接驱动电机，在不牺牲高力/力矩的能力下得到提高。应用足机器人 执行器与muscle-like属性允许足机器人以实现性能来与他们的生物学配对。因此它们可以与肌肉弹性执行器系列共

17、享这些有益的特性，进而适用于足机器人。这些高品质的力量、可控驱动器允许利用机器人来控制系统的自然动态，以及分发双腿之间的力量，并提供主动悬架进而可以使机器人在崎岖地形中行走。 为了利用机器人的被动动态，驱动器必须呈现极低的阻抗系统和摩擦。不幸的是，与传统的驱动系统相比，如液压和高减速电机，它们的输出阻抗和惯性是很高的。相比之下，弹性执行器系列呈现极低的阻抗和低摩擦，从而可以用于机器人，充分利用其自然动态。 像多条腿的桌子一样，多足机器人每只脚的地面反作用力可能会出现一个不确定的因数，这样会超过其限制系统。就像桌子的一条腿掉在地上，它会不稳一样。因此需要对摇摆的table.Similarly的多

18、条腿的机器人采取严格的位置控制，但这样就会产生对身体力量的冲突，造成脚下打滑和大的内部力量，而使用弹性系列执行器可以防止这些问题。它通过准确提供机器人的脚的势力的分布，可以使机器具有独立的脚的位置。弹性执行器系列高力保真度提供了稳定和防止了打滑，给机器人一个肯定的基础。 系列弹力执行机构提供了有效的主动悬架系统，由于其具有高力保真度和低阻抗。因此它可以在任意方向来隔离有效载荷，并能传授和恢复力机器人的重心，让其能够达到动态的平衡。这些主动悬架系统的行为是不可能在一个未知的环境中工作的，出于这个原因，机器人在遵循严格的轨迹的情况下走崎岖的地形是有麻烦的，因为它们不能顺应地形或申请恢复力动态机器人

19、。相比之下，弹性执行器系列可用于控制机器人和地面之间的净作用力，提供了一个独立的脚的位置或地形粗糙的主动悬架系统。M2和谐的火烈鸟两个双足步行机器人 由Yobotics联合创始人在麻省理工学院的人工智能实验室开发， M2的图由图5可见，有12个自由度，采用电动系列弹性执行机构的活跃度。 图5：CAD渲染M2的12度，自由度双足机器人。性能放大外骨骼和触觉接口 由于系列弹性的执行机构具有低阻抗和高力保真度，因此它可以运用于理想的外骨骼，触觉接口，和其他的“可穿戴式机器人”。在这些应用中，设备不应妨碍用户的自然流体运动，而应该在能源密集型的活动关节（如膝关节伸直时爬楼梯，或搬运重物）处或没有抑制议

20、案的低功耗的活动（如摆腿和脚的位置）中提供一个外骨骼辅助力量。在触摸虚拟表面或进行身体动作时，它应提供力反馈触觉界面，而在自由空间移动中，它应提供无阻抗运动。理想的情况下，这些设备将是完全透明的，创造的感觉和设备甚至应该是不存在的。对于这些要求，弹性系列执行器是一个不错的选择，它具有近似完美的透明度和低阻抗。 Yobotics为了系列执行器的发展，提供给运营商的动力外骨骼弹性执行器的力量和耐力更强。机械臂 当机器人手臂必须在不确定的环境下运作时，尤其是与人交往时，系列弹性力控制可以提高性能和安全性。当关节处受到最大限制力量时，运营商可以在一个功能强大的机器人的工作空间内进行安全的补充措施。如果

21、机器人上的任何一个运营商的接触点出现故障，故障将很快被注册。传统的机器人需要整个手臂的过度负荷传感器在非结构化环境中安全运行。与此同时弹性执行器系列固有的抗冲击性还允许很少的崩溃和无机器人损坏。Yobotics已在麻省理工学院媒体实验室中开发了6自由度的自由力量控制机械臂。关键的功能是为运营商提供的。机器人会感觉到运营商的互动，并进入“反重力”的模式，利用该驱动器，可以使运营商轻松地教一个新的轨迹机器人的手臂进行重量补偿。图中可以看到一个机器人手臂和手爪的CAD模型。 图6：6力自由控制度与敏捷的机器人臂的CAD模型。 MCB Industrial Robot Feature Article

22、Series Elastic Actuators for High Fidelity Force Control Word count: 4000 Key Words :Robot, Force Control, Haptics, Exoskeleton, Legged Robots AbstractSeries Elastic Actuators provide many benefits in force control of robots in unconstrained environments. These benefits include high force fidelity,

23、extremely low impedance, low friction, and good force control bandwidth. Series Elastic Actuators employ a novel mechanical design architecture which goes against the common machine design principal of “stiffer is better”. A compliant element is placed between the gear train and driven load to inten

24、tionally reduce the stiffness of the actuator. A position sensor measures the deflection, and the force output is accurately calculated using Hookes Law (F=Kx). A control loop then servos the actuator to the desired output force. The resulting actuator has inherent shock tolerance, high force fideli

25、ty and extremely low impedance.These characteristics are desirable in many applications including legged robots, exoskeletons for human human amplification, robotic arms, haptic interfaces, and adaptive suspensions. IntroductionIn traditional manufacturing operations, robots perform tedious and repe

26、titious tasks with great speed and precision. In this setting, where the environment is controlled and the tasks are repetitious, position controlled robots which trace predefine joint trajectories are optimal. However, in highly unstructured environments, where little is known of the environment, f

27、orce controlled robots that can comply to the surroundings are desirable. This is the case for legged robots walking over rough terrain, robotic arms interacting with people, wearable performance- enhancing exoskeletons, haptic interfaces, and other robotic applications.An ideal force-controllable a

28、ctuator would be a perfect force source, outputting exactly the commanded force independent of load movement. In the real world, all force-controllable actuators will have limitations that result in deviations from a perfect force source. These limitations include impedance, stiction, and bandwidth.

29、An actuators impedance is the additional force created at the output by load motion. Impedance is a function of the frequency of the load motion, typically increasing with frequency of load motion. An easily backdriveable system is considered to have low impedance. Stiction describes the phenomenon

30、of stick-slipor sticky friction, which is present in most devices where mechanical components are in sliding contact. Stiction must be overcome by a breakaway force, which limits the smallest force the actuator can output. The bandwidth of an actuator is the frequency up to which forces can be accur

31、ately commanded. Bandwidth is affected by saturation of power elements, mechanical stiffness, and control system gain among other things. In a perfect force source, impedance is zero (completely backdriveable), stiction is zero, and bandwidth is infinite. Muscle has extremely low impedance and stict

32、ion and moderate bandwidth and is the currently best known actuation technology that approaches a perfect force source.Present day actuator technologies have characteristics that have severely limited their use in force-controlled applications. A geared electric motor has a high reflected-inertia, a

33、 lot of stiction, and is difficult to back drive. Hydraulic systems have high seal friction and are often nearly impossible to back drive. By adding Series Elasticity to these conventional systems, a force-controllable actuator with low impedance, low friction, and good bandwidth will result. Below

34、we describe other state-of-the-art methods for force-controllable actuators.Then we describe Series Elastic Actuators in some detail. Finally, we describe some typical applications for Series Elastic Actuators. State-of-the-Art Force Control TechnologyTraditional technologies for force control inclu

35、de current control with direct drive actuation, current control with a geared actuator, current control with low-friction cable drive transmissions, load cells wi th force feedback, and fluid pressure control. In a direct drive actuator, a high quality servomotor is directly connected to the load an

36、d the torque output is accurately controlled using the relation between motor torque and motor current. However, servomotors operate inefficiently at the low speeds and high torques required in most robotic applications. To compensate for their small torques, direct drive servomotors are selected wi

37、th a power rating much higher than the actual useful power output. This practice results in an ungainly and expensive design. While direct drive actuators are a good approximation of a perfect force source, they are typically too large and heavy for robots that must support the weight of their actua

38、tors. Their use is therefore limited to applications where the actuator can be placed in a non-moving base of the robot. Alternately, smaller and lighter servomotors can be used in low speed/high torque applications if a gear reduction is used to reduce the speed and increase the torque of the motor

39、 output. reduction allows the motor to operate in its“sweet spot”(high speed/low torque), while providing the low speed/high torque output characteristics desirable in most robotic applications. Current control can then be applied to the geared actuator to control force output. A gear reduction has

40、the major drawbacks of introducing significant friction and of increasing the reflected inertia at the output of the gearbox. In fact, friction can become essentially infinite in some types of non-backdriveable gear reductions with large reduction factors. Such a system would result in extremely poo

41、r force fidelity. Since the reflected inertia seen at the output of the actuator increases by the square of the gear ratio, the actuators impedance also becomes extremely large. Given these performance characteristics, servomotors with gear reductions relying on current control are unsuitable for us

42、e in applications requiring high quality force controlled actuators. Significant improvements can be made to geared actuators by using cable drive transmission in lieu of conventional gear reductions. Geared actuators have non-linear, non-continuous dynamics such as stiction and backlash that are ha

43、rd to model and thus hard to compensate for. Cable drive transmissions, on the other hand, have low stiction and low backlash. Their dynamics are fairly linear and easy to model. Dynamic models of the drive train can then be used in the force controller to help mask the effects of actuator inertia a

44、nd viscous friction. However, cable drives require large pulleys in order to get a significant transmission ratio. In many applications, space is too limited to accommodate these large pulley systems. To mitigate the effects of friction and inertia introduced in conventional geared actuators, as des

45、cribed above, a load cell and a feedback control algorithm can be used. The load cell measures the force imparted on the load by the actuator. The feedback controller calculates the error between the measured force and the desired force and applies the appropriate current to the motor to correct any

46、 discrepancies. The active force sensing and closed loop control work together to decrease the effects of friction and inertia, thereby attaining a higher force fidelity and lower impedance than with current control alone. However, the load cell method has several shortcomings. First, a stiff load c

47、ell can present stability problems. Consider the case of a stiff load cell between a linear actuator and rigid load. Even a slight linear movement will generate extremely large force readings on the load cell. A high-gain feedback controller would quickly pull the actuator away from the load, causing the force to drop rapidly. The result would be chatter between the actuator and the load. To avoid chatter and maintain stability, the closed loop control gains must be kept very low.