节能型串联弹性执行器的鲁棒优化设计：在动力假肢踝中的应用

设计能够在不确定操作条件下安全且高效运行的机器人系统（如康复与物理辅助机器人）仍是该领域的重要挑战。当前节能型串联弹性执行器的设计方法采用一种优化公式，通常假设操作条件已知。这种方法可能导致执行器在不确定环境中无法工作，因为当操作偏离标称条件时，伸长、速度或扭矩需求可能超出执行器规格。针对这一不足，我们提出一种凸优化公式，用于设计串联弹性执行器的刚度，以最小化能耗，并在存在因弹簧制造、未建模动力学、传动效率和负载运动学与动力学引起的不确定性时满足执行器约束。在我们的公式中，将能耗表示为柔度的标量凸二次函数。在无约束情况下，该二次方程为任意周期参考轨迹下最小化能耗的刚度最优值提供了解析解。作为执行器约束，我们考虑了电机峰值扭矩、电机峰值转速、直流电机转速-扭矩关系的限制以及弹簧峰值伸长。作为仿真案例研究，我们将该公式应用于动力假肢踝的串联弹性执行器鲁棒设计。仿真结果表明，为了在不确定性下运行的执行器设计，在能效与鲁棒性之间进行微小的权衡是合理的。