题目：被动式柔性驱动器特性研究

柔性驱动器在“使机械系统更安全”的主导思想下，取得了如火如荼的飞速发展！然而，随着小型化应用的发展需要，以往以弹簧作为主要柔性单元形式的柔性驱动器的设计面临严峻挑战，引入弹簧所导致的反馈信号不精确、结构不紧凑等不足，成为其小型化应用延伸的桎梏！为了寻求结构更为紧凑的机械形式，创新结构形式的要求呼之欲出！而柔性铰链由于其结构紧凑、精度高、能够一体化加工、无摩擦、无需润滑，成为柔性驱动器中柔性单元的优选替代品。然而，此类应用场合中的特殊需求，使得设计尚无系统指导思想。针对研究现状和难点，本文在国家自然科学基金(基于簧片式柔性铰链的柔性驱动器研究 (51275017))的资助下，对大变形柔性铰链应用于柔性驱动器开展了研究，作为已有研究的补充和深化。同时，已有的柔性驱动器特性的分析亦有发掘空间！因此，本文从“柔性的引入对系统特性的影响”入手，进一步开展了关于“柔性关节机械臂动力学的建模与控制研究”，继而延伸到“对立布置柔性驱动器”的动力学建模与控制。更进一步地，为了从机械本体上寻求突破，基于“隔离原理”和“倒置原理”对柔性铰链进行全新设计，并基于所设计的“串并联环形柔性铰链”设计了相应的实验平台，深入开展了相关实验工作，其中主要的研究工作总结如下：第一，建立了基于力矩闭环和速度闭环控制的柔性驱动器分析模型，通过对系统的稳定性、机械输出阻抗特性、碰撞特性、饱和特性等指标作解析表达，全面总结柔性驱动器系统的技术指标，对柔性驱动器模型进行了系统化分析，清晰反映了系统特性。第二，建立了柔性关节机械臂的动力学模型，通过合理简化得出动力学模型的简洁形式，并设计了基于“全局快速Terminal滑模控制”策略的位置跟踪控制器，对其动力学模型进行控制，并通过数值实验验证了控制方式的有效性。更进一步地，为了深化动力学的研究，继而对仿生学意义重大且可变刚度的一类柔性驱动器“对立布置柔性驱动器”进行动力学建模和控制分析，刚度的可控性显示了其独特的优点。第三，基于“隔离原理”和“倒置原理”，结合电机与柔性铰链的安装方式，设计了应用于柔性驱动器的四类基本变形单元，并进一步通过阵列方式设计出适用的环形柔性铰链，通过Awtar力学模型，对相应的柔性单元进行了力学特性解析运算，通过商业化有限元分析软件ANSYS11.0进行数值实验验证，理论分析和数值实验的结果显示了其代替传统弹簧的现实可能性。第四，基于所设计的串并联环形柔性铰链，配以结构紧凑的盘式电机，设计了相应的实验平台，从柔性铰链本身的力学特性实验开始，进一步对柔性驱动器信号跟踪、碰撞力特性、安全特性做了实验分析。