農用采摘機器人柔性關節驅動器的研究

張小雨

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

1 研究背景

采摘機器人的經典驅動系統被設計為剛性的[1]，以實現高位置精度和可重復性。然而，僵硬的機器關節在與人類一同工作時是危險的。現代機器人研究的一個當前主題是構建柔順、輕重量的關節，目的是提高安全性，尤其是人機交互時。柔順驅動技術是目前機器人行業亟需解決的一個難題，整體柔順性能不足，自調整和防碰撞能力較差，在使用過程中易對機器人本身以及周圍環境造成二次傷害。而目前對機器的柔順控制大多采用六維力傳感器作為反饋單元[2]，但是由于六維力傳感器價格昂貴，并沒有得到廣泛的應用。串聯彈性驅動器是一種能夠實現柔性輸出的驅動單元，具有仿真彈性的力輸出裝置，通過在驅動和執行模塊之間添加彈性元件，來使驅動和負載之間具有柔性緩沖[3-4]。

2 串聯彈性驅動器模型

2.1 模型研究現狀

目前出現的串聯彈性驅動器根據所用彈性體的不同，大致可以分為兩類，分別采用壓簧[5-6]、扭轉彈簧[7]作為彈性體。

2.1.1 采用若干組壓簧與輪輻輪芯及固定塊的結構

對于采用壓簧的串聯彈性驅動器的彈性單元，這種驅動器的組成包括伺服電機、電機輸出法蘭、諧波減速器、彈性單元；電機產生的驅動力矩通過諧波減速器將動力傳遞至彈性單元，然后經過彈性單元中壓簧的作用再將動力傳至負載。

該串聯彈性驅動器將分體旋轉編碼器的碼盤固定在輪芯上，解碼器隨輪輻運動，通過計算輪輻相對于輪芯轉動的角度從而計算輸出力矩。相對運動在該結構的具體產生方式為：電機產生的力矩通過法蘭盤傳遞給諧波減速器，然后諧波減速器帶動外輪旋轉，外輪內有三個間隔120°的固定塊隨外輪旋轉，隨即帶動壓簧壓縮將動力傳遞給輪輻，輪輻與輪芯之間安裝有深溝球軸承與推力軸承，從而產生輪輻與輪芯的相對運動。

2.1.2 采用扭轉彈簧的串聯彈性驅動器

如圖1所示，美國航天局研究的“瓦爾基里”機器人采用了這種結構的串聯彈性驅動器。這種結構包括直流無刷電機、諧波減速器、扭矩彈簧、編碼器及新的輸出結構。扭轉彈簧為定制加工零件，同樣利用彈簧剛度乘以轉動角度之差即可得到電機輸出的扭矩。

圖1 扭轉彈簧的串聯彈性驅動器

2.2 扭矩彈簧設計

由于電機已經選型，選擇扭轉彈簧的形式來設計串聯彈性驅動器。對于整個串聯彈性驅動器，關鍵部分在于定制的扭矩彈簧，初步設定彈簧模型如圖2所示，考慮外圈變形時可能會發生其他方向的形變，故考慮外圈增添為一圈整圓。

圖2 彈簧結構設計

對于兩種彈簧模型進行有限元分析：在彈簧外圈施加扭矩；扭矩從0變化至8 N·m，取樣間隔為0.5 N·m，可以得到各扭矩的變形角度，如圖3所示。

圖3 扭轉彈性剛度標定

仿真后發現對于無外圈彈簧在目前結構下采用鋁合金時的彈性剛度可達到 1.764 4 °/（N·m），對于有外圈彈簧在目前的結構下采用鋁合金可達到2.266 8 °/（N·m）的彈性剛度。綜合考慮選擇含外圈彈簧作為彈性體。

2.3 模型設計

串聯彈性驅動器結構設計如圖4所示，該設計包括以下幾個部分：1.電機封蓋；2.外殼；3.軸承；4.最終輸出端；5.編碼器；6.中間傳動件；7.扭矩彈簧。

圖4 串聯彈性驅動器結構設計

結合圖4可以看出整體連接關系：電機轉動通過連接螺栓帶動扭矩彈簧，扭矩彈簧通過外圈孔與中間傳動件的外圈銷把運動傳遞到中間傳動件，中間傳動件通過螺栓把運動傳遞給最終輸出端。

3 控制模型

3.1 研究現狀

對于原有的電機模型已有不含力矩閉環的數學模型[8]，如圖5所示。

圖5 位置環電機模型

其中：Kp，Kd，Ki為PID控制器參數；Km為扭矩常數，單位為N·m/A；N為減速比；L為電感，單位為H；R為電阻，單位為Ω；J為轉動慣量，單位為kg·m2；Ke為轉速常數，單位為V/rad。

對于位置環電機模型，根據期望位置與實際位置差，通過PD控制器計算得到期望力矩大小，經過電負載與物理負載后得到電機轉動角速度[9]，角速度乘以減速比輸出實際驅動器角速度，微分后得到實際輸出位置信息。

在ANYmal機器人的扭矩控制上采用了更加完善的扭矩控制器[10]，如圖6所示。

從圖6可以看出ANYmal機器人的扭矩控制器同樣包括 PID控制器，前饋項和反饋摩擦補償；此控制模型考慮動靜摩擦的補償。在美國航天局研發的“瓦爾基里”機器人中控制模型增添了對于力矩的觀察，增強了抗干擾能力，如圖7所示。

圖6 ANYmal機器人電機控制模型

圖7 “瓦爾基里”機器人控制模型

“瓦爾基里”機器人控制模型中Q為二階巴特沃斯低通濾波器；Pn為整個模型力矩控制部分傳遞函數。與前兩款控制模型相比，該控制模型增添了干擾觀察器（DOB）來抑制與該標稱鎖定輸出模型的偏差，并保持轉矩跟蹤精度。

3.2 控制模型設計

比較三種控制模型可以發現其共同之處在于均是通過比較轉角之差進行扭矩的計算，同時在控制模型中增添補償和干擾抑制；因此可根據對圖8的控制模型修改完善得到此串聯彈性驅動器的控制模型，其中：θd為所需輸出角度；θj為減速器端輸出角度；θg為彈性輸出端輸出角度；圖中1/NKm作為前饋項，作用是為了將執行器的期望轉矩按比例縮放為近似的執行器輸出轉矩。低通濾波器Q的傳遞函數與頻率相關，利用Pn-1調整頻率直到干擾被抑制。本模型還考慮了動靜摩擦的影響進行摩擦補償。

圖8 串聯彈性驅動器控制模型

4 結論

本文根據目前已有串聯彈性驅動器模型分析了不同彈性體作為彈性單元時驅動器的優缺點并設計了一款扭轉彈簧作為彈性體的串聯彈性驅動器，仿真分析了彈簧的剛度，設計了驅動器整體模型及連接傳動情況。對該模型的控制框架進行分析，首先構建了無彈性單元的電機模型，結合目前已有控制模型進行修改，得到該串聯彈性驅動器的控制模型，綜合考慮設計前饋環節、摩擦補償及干擾觀測器使整體模型控制擁有更加快速準確的控制能力，在采摘機器人的應用場景下能夠有很好的應用。