服务机器人变刚度关节驱动系统设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

机器人的关节驱动系统是向执行系统各部件提供动力的装置。工业机器人的关节驱动系统采用高刚性的设计。高刚性的驱动系统可以保证执行机构的精确定位和其运行轨迹的精确跟踪，能高效率地实现重复执行的工作，但同时这使得工业机器人工作空间固定，工作模式死板。随着机器人技术的发展，机器人也从传统的工业领域里被解放出来，进入了其他非工业领域，如服务、医疗、娱乐等。其中服务型机器人与人的交互颇为紧密，人类工作环境的复杂多变，势必会对机器人提出严苛的要求，如高安全性、对未知环境良好的适应性和较高的能量利用率。

人类 的运动通过肌 肉骨骼系统实现。其中肌肉”作为动力输出元件，本身具有可变刚度的特点。

如当人要实现用针穿线等精确度很高的动作时，肌肉会处于紧绷状态，刚度较大，以提高位置控制精度；而当人步行时，手臂处肌肉处于松弛状态 ，刚度较小，以适应步态需要，减小能量消耗。为了满足上述要求 ，服务机器人关节驱动系统不能效仿工业机器人的设计特点-高刚性，而是要具有可变刚度的特性。

为了使机器人关节驱动系统具有可变刚度的特收稿日期：2012-10-23作者简介：林阿斌(1988-)，男 ，浙江温州人，主要从事机器人结构设计及齿轮传动方面的研究.E-mail：fenxer###hotmail.coin通信联系人：周建军，男，教授 ，硕士生导师.E-mail：zhouj###hdu.edu.ca· 4J40 · 机 电 工 程 第30卷性，国外高校和机构做了大量的研究，并取得了-定的成果。其中具有代表生的是，意大利技术研究所(1iT)，德国宇航局(DLR)，比萨大学(Pisa University)，布鲁塞尔自由大学(VUB)，韩国大学 Korea University)。

liT的D.G.Caldwe1等人研制开发了-种柔顺紧凑的驱动单元。该驱动单元是基于-种创新的弹簧组合设计研制而成的，预紧过的螺旋弹簧在辐条转动的时候，刚度成非线性变化，这使得整个拈刚度也成非线性变化。他们随后研制的AwAS-I/I(Actuatorwith Adjustable Stiffness-I/I)通过在与主驱动电机相连的-摆杆两侧设置-组预紧的弹簧，分别改变其有效臂长和力矩支点来改变刚度 ，以实现弹性拈的变刚度 ]。DLR的G.Hirzinger等人 提出了-种变刚度的关节VS-Joint(Variable Stifness Joint)，通过调节弹簧模组顶部的端盖来对弹簧组进行预紧。由控制刚度的小电机使滚子发生偏转，当滚子从凸轮底部向两侧移动时，弹簧压缩，系统刚度变大，反之亦然。之后，他们又在VS-Joint基础上进行改进，提出了新的变刚度关节-FSJ(Floating Spring Joint) ，将原本弹簧模组中的3根螺旋弹簧改为-根浮动弹簧，该弹性模块实现变刚度的原理与Vs-joint相似，也是借助滚子偏转实现的。

比萨大学的Antonio Bicchi等人 采用带轮与弹簧 的组合 ，设计研制了-种变刚度 的驱动器 VSA(Variable Stifness Actuator)。驱动器有3个带轮，其中的2个带轮下方各有-个电机，用以控制带轮的旋转。

当带轮旋转时，与之相对应的弹簧长度就会改变。这样 ，通过改变带轮的旋转的角度就可以改变VSA的刚度。VUB的Dirk Lefeber等人 提出了基于机械结构可调刚度，平衡位置可控的柔顺驱动器(MAccEPA，Mechanicaly Adjustable Compliance and ControlableEquilibrium Position Actuator)。该项研究在关节处设置两个小型伺服电机，电机输出惰轮上分别连接-螺旋弹簧的两端 ，通过控制控制电机旋转来改变弹簧的预紧度，从而来改变关节旋转时的受力。韩国大学的Jae-Bok SONG等人 提出了-种混合式双电机驱动单元，其中-个电机提供驱动力，另-个电机通过改变-对弹簧滑块的位置来控制单元刚度。当弹簧滑块远离输出旋转轴的旋转中心时，刚度变大 ，反之变小；其中弹簧滑块的顶部与杆件始终接触。

以上提到变刚度驱动器的特点可总结为：以线型螺旋弹簧为基础，配合特殊的结构设计，通过改变弹簧的伸缩量 ，致使弹性拈刚度发生变化，从而改变驱动系统的刚度。尽管达到了变刚度的目的，但由于其复杂的结构给设计带来了难度，线型螺旋弹簧的使用也势必会占据大量的空间，且维护困难。

本研究提出-种变刚度驱动系统，采用具有特殊几何结构的平面扭簧作为弹性拈，通过分析平面扭簧的刚度特性，得出其刚度与偏转角度的关系及刚度与预紧量大小的关系，为关节驱动系统进-步优化提供理论依据。

1 驱动系统的机械结构本研究提出的变刚度驱动系统如图1(a)所示 ，该驱动系统由伺服电机、精密减速器、弹性拈、摆杆等组成。其中弹性拈的结构如图1(b)所示，由连接件-、平面扭簧、连接件二、轴承等组成。伺服电机得到控制信号后，开始工作并驱动减速器转动。

该系统在减速器的输出端有通过螺钉与之连接的连接件-，而平面扭簧则通过螺钉分别与连接件-和连接件二相连。减速器的转动带动连接件-起转动，力矩从伺服电机输出通过减速器传递到连接件-，并继续传递到平面扭簧的菱形段。菱形段受到扭转力矩的作用开始压缩，当力矩增大到与负载阻力矩相同时，平面扭簧开始转动，从而带动连接件二随之旋转，力矩从摆杆输出。

2 平面扭簧的刚度特性分析此处弹性拈的变刚度特性是通过如图2(a)所示的平面扭簧实现的。下面笔者对该扭簧的结构特(a)变刚度驱动系统 (b)弹性拈的结构图1 变刚度关节驱动系统第4期 林阿斌，等：服务机器人变刚度关节驱动系统设计 ·441 ·点及其力学特性进行分析，以得到扭簧刚度与偏转角度及扭簧刚度与预紧量之间的关系。

2.1 扭簧刚度 k与偏转角度 0的关系为了简化分析，本研究将图示扭簧的菱形段等效为-根变刚度弹簧，其刚度为后 ( ，简化后的模型图如图2(b)、2(c)所示。由于模型中的弹簧是两两对称的，取其中的-组分析。固定弹簧的-端，如图2(b)所示的m点位置，转动 0后变为如图2(c)所示的状态。

(a)平面扭簧 (b)偏转前 (c)偏转。后图2 平面扭簧及其简化模型假设 pm的长度为a，op的长度为，；转过0后，弹簧的伸缩量为 ，则可得到p'm 的长度为：p'm a- (1)其中， 可由下式来表达：r·0 (2)则图2(c)中所示的由于弹簧压缩产生的力大小为：F ( · (3)式中： --根弹簧产生的力。

片簧总共由4组8根弹簧组成，由于偏转角相同，即每根弹簧的伸缩量相同，均为 ，可得片簧总的力矩为：8Fr8k ( (4)对式(4)进行处理，可得到片簧的刚度为：丽dT8rl m l (5)为了得到 ㈣ 的表达式，本研究将菱形段简化为如图3所示的模型，并对其进行受力分析。

(a)受压前 (b)受压后图3 菱形段简化模型及受力分析由于模型为菱形结构，以 为中心轴，则两侧结构对称，可知其受力也对称 ，又由于该结构为超静定， 点在F力作用下，在水平方向没有位移，且没本研究用力法可求解该超静定结构n ，求得结果X 0，X Fcos兰L20由此可知，如图3所示的菱形段为-次超静定结构，点 M 可以6-竖直方向和水平方向的位移，但是不能有转动。利用叠加法 ，研究者可以求得在力 F/2和X：的联合作用下，点M在竖直方向上的位移为：：：F：： 2 0g r 2-!：：2至OL r 2-：F!：：2至0/ r 2 (6)- 蠹 -寺 -根据杆件的几何关系可以得到： sin 2 sin堡2 (7) ： sin( 1由式(6，7)可以得到 F与 X的关系式 ：/；2- ) . (8)对式(8)进行处理，便可得到Ux)的表达式：面dF 百12EI L2 1 (9)根据式(5)即可得到：- - 由式(2，9，10)可求出：丽dF 面dF。丽dX 毫 · 8/.2·T12EI·L22- . ： 。 - 2L2r- )平面扭簧刚度 和菱形段刚度 ( 随着偏转角度 0改变而变化的曲线如图4所示。此时，平面扭簧的参数取值如下：E2.06×10”Pa，b0.5×10～m，h0.5×10～m，L110×10-m， 060。，r15×10～m 。

从图4中可以看出，当偏转角度 变大时，平面扭簧刚度 先逐渐变大，到 0：0.12 rad附近时达到最大值，再逐渐变小，变化过程呈现非线性。

第4期 林阿斌，等：服务机器人变刚度关节驱动系统设计 ·443 ·为弹性拈，从而实现具有可变刚度特性的关节驱动系统。笔者通过分析平面扭簧的刚度特性，给出了其表达式，除偏转角度与预紧量以外，其余参数均与其自身结构有关 ，这样就为进-步对平面扭簧参数的优化以提高关节驱动系统整体性能提供了理论依据；分析结果表明，本研究所用平面扭簧偏转角度约为7。，刚度变化范围大，可满足机器人关节刚度需求。