摘 要

现中国，随着科学技术的发展和生产劳动的需要，越来越多的人开始注重机器人方面的研究，关节作动器的设计是整个机器人研究的核心。然而传统的电机加减速器的刚性设计方案存在体积大、惯性大、抗冲击性差的问题，使其越来越难以满足新的任务要求，由此关节作动器的再研究显的尤为重要。

本文主要内容是设计一种分离式关节作动器结构及相应的驱动电路，以踝关节为研究对象，根据其在人体行走过程中表现出的弹性运动特征，提出串联弹性元件的SEA基本设计思想，从而解决了传统设计带来抗冲击性差的问题，实现机械关节柔性缓冲、能量存储的性能。同时，在驱动方式上摒弃常规作动器设计的刚性连杆驱动采用绳驱动，将固定在近端的电机和减速器的作动力矩通过绳索牵引方式输出到远端关节带动负载动作实现分离式设计方案，由此减小作动器惯性在运动过程中对机械关节的作动影响。在作动器驱动电路设计上，旨在设计一种机器人关节的通用运动控制模块，可驱动无刷/有刷电机并且集成了应变片信号放大单元、IMU单元以及RS-485通讯接口等多种功能单元，从而完成分离式关节作动器的全部设计。

最后将设计的关节作动器应用于实验室踝关节机器人上，根据其实际机械结构和作动要求进行作动器各器件配置和选型，完成踝关节机器人控制的硬件搭设。

关键字：SEA；绳驱动；通用运动模块；踝关节机器人

Abstract

Now in China, more and more people begin to focus on the research of the robot, and joint actuator design is the core of the entire robot research. However, the rigid design of the traditional motor plus and reducer has large volume, large inertia and poor impact resistance, making it more and more difficult to meet the new task requirements. Therefore, it is very important to study the joint actuator.

Based on the elastic motion characteristics shown in the process of human walking, this paper puts forward the basic design idea of ​​SEA of series elastic element, which solves the problem of poor impact resistance of traditional design, so as to achieve the ankle flexible buffer and characteristic of energy storage. In the driving mode, the rope driving is instead of the conventional rigid link. The motor and retarder fixed on the shank output actuating torque to the ankle joint by the rope, reducing the impact of the actuator inertia on the movement of the ankle joint. In the control of the actuator, a general motion control module of articulated robot is designed, which can drive brushless / brushless motor and integrates various functions such as strain gauge signal amplification unit, IMU unit and RS-485 communication interface Unit, so as to achieve the design of separate ankle joint actuator.

Finally, the design of the joint actuator is used in the ankle robot. According to its actual mechanical structure and the requirements of the actuator, we complete the configuration and selection of the device to achieve the hardware erection of ankle robot control.

Key words: SEA; rope driving; general motion control module； ankle robot

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及选题意义 1

1.2 国内外研究概况 2

1.3 关节作动器的技术要点 4

1.4 本文研究内容 4

第2章 关节作动器结构设计 6

2.1 踝关节运动特性分析 6

2.1.1 步态细分 6

2.2.2 关节特征 7

2.2 串联弹性作动器设计思想 9

2.2.1 弹簧的放置 10

2.2.1 SEA的性能 11

2.3 分离式设计方案 13

第3章 关节作动器驱动电路设计 15

3.1硬件设计 15

3.1.1微控制单元 16

3.1.2 无刷直流电机驱动单元 18

3.1.3 应变信号放大单元 21

3.1.4 惯性测量单元（IMU） 23

3.1.5 RS-485通讯单元 24

3.1.6 其它功能单元 25

3.2 硬件参数 29

3.3 硬件调试 30

第4章 踝关节机器人应用 33

4.1 作动器配置 33

4.1.1 电机和减速器配置 33

4.1.2 弹簧配置 34

4.2 作动器选型 35

4.2.1 弹簧选型 35

4.2.2 电机和减速器选型 38

4.2.3 同步齿形带选型 40

第5章 总结 43

参考文献 44

致谢 45

第1章 绪论

1.1 课题背景及选题意义

工业革命以来，随着科学技术的不断发展，现代社会生产力水平获得了巨大的提升，医疗卫生条件也取得了很大的进步。人类的生存环境不断改善，人口数量持续增长，社会平均年龄也随之增大，导致人类社会面临老年化的困扰。社会生产资料空前丰富的背景下，人们为了提高生产效率来降低劳动成本，对采用智能化程度越来越高的机器人部分或完全取代人工劳动力进行生产活动有着迫切的需求。其中，关节型机器人作为重要的执行机构，以其活动灵活、工作空间大等显著特点，成为应用于工业生产、医疗服务、军事探索等领域机器人的主要形态之一^[13]。

常规的机器人驱动方式主要有电机、舵机和液压三种，但是液压驱动成本过高且噪声大，舵机驱动输出力矩太小只能适用于小型机器人无法承担社会生产需求，而电机驱动输出力矩仍难以满足生产需求但相比于舵机有很大提升，因此传统的机器人关节普遍采用“电机 减速器 负载”刚性设计方法，既提高了输出力矩还可以在操作空间中能够实现精确的位置和速度控制。然而，随着机器人应用的不断普及，面对非结构环境，传统的刚性关节已经不能满足新任务要求：工作在障碍物较多且不规则的未知环境中，刚性关节不可避免的会与外部障碍物碰撞产生冲击，致使其工作精度降低甚或结构损坏；尤其在医疗服务领域，涉及与人类肢体直接接触的助残、康复、外骨骼机器人上，安全问题是设计人员首要考虑的关键因素，虽然刚性关节借助配置在机构末端各类传感装置来感知外部环境的接触信息，但由于自身结构缺乏物理柔顺元件，在受到冲击时其安全系数仍不能达到理想期望^[12]。