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基于FS-SEA的大柔性关节机械臂控制方法研究
基于FS-SEA的大柔性关节机械臂控制方法研究
摘要：近年来，大柔性关节机械臂在工业、医疗和服务领域得到了广泛的应用，其具有高精度、高可靠性和高灵活性的特点。然而，由于柔性关节的存在，机械臂控制面临着很多挑战。本文基于FS-SEA(ForceSensingSeriesElasticActuator)提出一种新的控制方法，通过强迫-从动控制模式实现对大柔性关节机械臂的精确控制。
关键词：大柔性关节机械臂、FS-SEA、控制方法、强迫-从动控制模式、精确控制
1引言
大柔性关节机械臂是一种由柔性材料构成的关节驱动机构的机械臂，其具有较小的惯性、较高的可靠性和较好的柔性特性。在工业生产中，大柔性关节机械臂可以完成精确的操作任务，例如装配、焊接、搬运等。在医疗和服务领域，大柔性关节机械臂可以用于手术辅助、康复训练等应用。然而，由于机械臂的柔性关节，其控制面临着很多挑战，例如动力学建模困难、传感器噪声干扰等问题。
2FS-SEA基本原理
FS-SEA(ForceSensingSeriesElasticActuator)是一种基于串联弹性元件的驱动器，通过测量弹性元件的变形来实现对关节扭转力矩的控制。FS-SEA由电机驱动、弹性元件和传感器组成。通过在弹性元件上施加外力，弹性元件发生变形，传感器可以测量到这个变形量，从而实现对关节扭转力矩的控制。
3强迫-从动控制模式
在大柔性关节机械臂的控制中，强迫-从动控制模式是一种常用的控制方法。在这种控制模式下，机械臂的关节由外部的力矩（强迫力矩）和内部的力矩（从动力矩）组成。强迫力矩由控制器施加，从动力矩由FS-SEA提供。控制器根据期望轨迹和反馈信息计算出所需的强迫力矩，并通过FS-SEA实施控制。通过这种方式，可以实现对大柔性关节机械臂的精确控制。
4控制方法设计
在设计控制方法时，首先需要建立机械臂的动力学模型。由于大柔性关节机械臂存在多自由度和非线性特性，动力学模型建立相对复杂。可以使用系统辨识技术或机器学习算法来获取系统的动力学模型。然后，根据期望轨迹和反馈信息设计控制器。可以选择PID控制器、模糊控制器或神经网络控制器等。最后，将控制器与FS-SEA集成，实施强迫-从动控制。
5实验结果与分析
我们设计了一组实验来验证所提出的控制方法。在实验中，我们使用了一台大柔性关节机械臂和一个FS-SEA驱动器。首先，我们采集了机械臂的动力学数据，并建立了动力学模型。然后，我们设计了几个轨迹跟踪实验，来测试所提出的控制方法的性能。实验结果表明，所提出的控制方法能够实现对大柔性关节机械臂的精确控制，具有高精度和高响应性。
6结论
本文针对大柔性关节机械臂的控制问题，基于FS-SEA提出了一种新的控制方法。通过强迫-从动控制模式实施控制，可以实现对大柔性关节机械臂的精确控制。实验结果表明，所提出的控制方法具有高精度和高可靠性，适用于工业、医疗和服务领域的应用。
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