可重构变刚度柔性驱动器的设计与性能分析_段韦婕.pdf

第 30 卷第 2 期2023 年 4 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.2Apr.2023可重构变刚度柔性驱动器的设计与性能分析段韦婕1，秦慧斌1，刘荣1，李中一2，白绍平3（1.中北大学 机械工程学院，山西 太原 030051；2.北京航空航天大学 杭州创新研究院，浙江 杭州 310051；3.奥尔堡大学 材料与制造系，北日德兰 奥尔堡 9220）摘 要：柔性驱动器因其固有的柔顺特性，能够实现机器人与人之间的安全交互，且具有较强的环境适应能力。为满足外骨骼机器人对关节柔性及变刚度特性的要求，设计了一种具有可重构性的变刚度柔性驱动器，可通过改变弹性元件的几何参数、材料和数量来实现重构，通过径向调节预紧力来实现可调范围内的变刚度。首先，运用零长度机架四杆机构的传动原理，建立了变刚度柔性驱动器的刚度数学模型，分析了柔性分支数和弹性元件刚度、预紧力对驱动器输出扭矩和刚度的影响规律。然后，建立了驱动器的ADAMS虚拟样机模型，并开展静力学性能仿真分析，验证了刚度数学模型的正确性。最后，建立了驱动器的动力学模型，通过Laplace变换得到了动力学系统的传递函数。频率特性分析结果表明，该柔性驱动器的稳定性良好。所设计的柔性驱动器体积小且质量小，能够在可穿戴外骨骼机器人驱动机构中应用。研究结果为机器人柔性驱动关节的设计提供了理论和技术参考。关键词：柔性驱动器；可重构；变刚度；动力学模型中图分类号：TH 122；TP 242 文献标志码：A 文章编号：1006-754X（2023）02-0262-09Design and performance analysis of reconfigurable variable stiffness compliant actuatorDUAN Weijie1,QIN Huibin1,LIU Rong1,LI Zhongyi2,BAI Shaoping3(1.School of Mechanical Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Hangzhou Innovation Institute,Beihang University,Hangzhou 310051,China;3.Department of Materials and Production,Aalborg University,Aalborg 9220,Denmark)Abstract：Compliant actuators can achieve safe interaction between robots and humans due to their inherent flexibility,and have strong environmental adaptability.To meet the requirements of exoskeleton robots for joint flexibility and variable stiffness characteristics,a reconfigurable variable stiffness compliant actuator was designed,which could achieve reconstruction by changing the geometric parameters,materials and quantity of elastic components,and achieve variable stiffness within an adjustable range by adjusting the radial preload.Firstly,based on the transmission principle of a zero-length frame four-bar mechanism,a stiffness mathematical model of the variable stiffness compliant actuator was established,and the influence of the number of flexible branches and the stiffness and preload of elastic components on the output torque and stiffness of the actuator was analyzed.Then,an ADAMS virtual prototype model of the actuator was established,and the statics performance simulation analysis was carried out to verify the correctness of the stiffness mathematical model.Finally,the dynamics model of the actuator was established and the transfer function of the dynamics system was doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.028收稿日期：20220923 修订日期：20221211本刊网址在线期刊：http:/ 2 期段韦婕，等：可重构变刚度柔性驱动器的设计与性能分析obtained through Laplace transform.The frequency characteristics analysis results indicated that the stability of the compliant actuator was good.The designed compliant actuator had a small volume and small mass,which could be applied in the driving mechanism of wearable exoskeleton robots.The research results provide theoretical and technical references for the design of compliant driving joints in robots.Key words：compliant actuator;reconfigurable;variable stiffness;dynamics model外骨骼机器人主要用于增强使用者的运动能力或辅助运动障碍患者进行针对性的康复训练1，其运动过程应尽可能地匹配人体的运动过程，其结构功能也应尽可能复现人体的变刚度柔顺特性2-3。为了有效解决人机协作过程中的安全性问题，须使外骨骼机器人驱动关节具有一定的刚度和柔顺性。传统的刚性驱动器虽具有良好的位置控制能力和抗干扰能力，但缺乏缓冲和减振性能4，导致其在外骨骼机器人领域中的应用受到限制。相比于传统刚性驱动器，变刚度柔性驱动器具有显著的优势，可通过存储和释放弹性元件中的势能来增加功率输出和降低能耗5-7，有效地提高外骨骼机器人的柔性特性。因此，变刚度柔性驱动器的设计已成为人机交互领域的研究热点。从机械结构上来看，现有的变刚度驱动器主要包括以下几种类型：基于杠杆机构、基于凸轮机构和基于连杆机构8。Jafari 等9设计的可调节刚度驱动器（actuator with adjustable stiffness,AwAS）采用调整杆件有效长度的原理，通过滚珠丝杠来移动弹簧的作用位置，以控制杠杆臂的长度，从而实现刚度调节，但该驱动器调节刚度的速度较慢。Sun等10利用旋转阿基米德螺旋盘来实现杠杆支点沿驱动器径向作直线运动，通过重新定位枢轴位置来进行刚度调整，但结构中的齿隙和摩擦会使驱动器的反馈控制不稳定。Wolf等11设计了一种外骨骼肩关节FSJ（floating spring joint，浮动式弹簧关节），通过控制一对特殊设计的凸轮机构的差动运动，改变两者之间的弹簧预紧力来调节刚度，该驱动器的结构紧凑，但其凸轮的设计较复杂。史延雷等12基于凸轮机构设计了变刚度柔性关节，通过调刚度电动机来调节调刚度座与凸轮组的距离，从而改变弹簧预压缩量，以达到变刚度的目的。Choi等13采用四连杆机构调节弹性元件作用的有效长度来控制其弹性输出力矩，从而实现机器人柔性驱动关节的刚度调节。Zhu等1基于四连杆机构原理提出了一种适用于下肢膝关节的可重构变刚度驱动器。除了利用传统机械机构调节弹性元件的方式来实现刚度调节外，随着智能材料的发展，还可以通过采用特殊的弹性元件材料来实现所需的变刚度特性，如电激活层、介电弹性体、形状记忆合金和磁流变液等。吴瑞德等14利用Ti/Ni合金材料的自身柔性，在机器人受到外界冲击时自行调节其关节刚度。王文东等15基于磁流变原理，通过改变磁场强度来改变磁流变液的流体状态，使其剪切屈服应力强度发生变化，从而实现柔性驱动器的刚度变化，但磁流变液的封装、控制较困难。为了得到一种结构紧凑、质量小和刚度变化范围大的柔性驱动器，借鉴文献16提出的零长度机架四杆机构的变刚度原理，设计了一种具有可重构性的变刚度柔性驱动器。首先，对驱动器的机械结构进行介绍，并建立其刚度数学模型，推导刚度与偏转角度之间的理论关系式；然后，建立驱动器的ADAMS虚拟样机模型并开展静力学仿真分析，以验证理论计算与仿真分析的一致性；最后，建立驱动器的动力学模型，并根据频率特性分析驱动器系统的稳定性。1 变刚度柔性驱动器结构设计 变刚度柔性驱动器的内部结构组成如图1所示。其中：输入法兰与输出轴相耦合，两者的旋转轴心在同一轴线上；输入法兰与输入法兰外壳同轴布置，通过轴套和轴承定位。输入法兰与输出轴的联动装置由滑轮组和弹性元件组成，外侧滑轮安装在输入法兰上，通过滑轮轴与输入法兰和输入法兰外壳固定，径向调节滑轮安装在输出轴上，通过径向调节滑块与径向调节外壳和输出轴固定。如图2所示，所设计的变刚度柔性驱动器有3个柔性分支，每个分支均包含3个滑轮，由1个弹性元件连接，弹性元件缠绕在滑轮组上形成一个闭环。该驱动器具有可重构性，可通过改变柔性分支的数量来改变结构配置，从而改变刚度调节范围。变刚度柔性驱动器具有以下优点：1）结构简单及质量小；2）可通过径向调节预紧力来实现静态刚度的主动调节；3）可通过改变弹性元件的几何参数、材料、263工程设计学报第 30 卷 数量、预紧力和缠绕方式来实现重构；4）刚度和输出扭矩具有可扩展性。2 变刚度柔性驱动器原理分析 2.1变刚度原理分析鉴于变刚度柔性驱动器的3个柔性分支的结构相同，选取单个分支进行变刚度原理分析。如图3所示，以输出轴轴心O为原点建立坐标系。图中：l1为轴心O到内侧滑轮中心A的距离；l2为内侧滑轮中心A到两外侧滑轮中心B、C连线中心的距离；l3为轴心O到外侧滑轮中心B（C）的距离；为外侧滑轮沿圆周方向的均布角，=/6；为内侧滑轮的偏转角度；为内侧滑轮中心与两外侧两滑轮中心连线的夹角；连线AB与AC的长度相等。当内侧滑轮未发生偏转（=0 rad）时，根据图3(a)，可得：lBC=2l3sin2(1)lAD=l3cos2-l1(2)根据余弦定理，可得：lAC=l21+l23-2l1l3cos2(3)当=0 rad时，弹性元件缠绕在滑轮组上保持静止时的长度l为：l=lAB+lBC+lAC+2r(4)式中：r为滑轮的半径。联立式(1)至式(4)，可得：l=2l21+l23-2l1l3cos2+2l3sin2+2r(5)当内侧滑轮随输出轴逆时针偏转（0 rad）时，弹性元件的长度l变为：l=lAB+lB