一體化可變剛度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

郭俊改， 張小俊， 王 滿， 李滿宏

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300401)

隨著機(jī)器人技術(shù)的蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景得到了極大的拓展與挖掘，不再局限于隔離人群的結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，機(jī)器人除了保證運(yùn)動(dòng)靈活性與精確性外，對(duì)人機(jī)交互安全性和復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性有著更高的要求[1-2]。關(guān)節(jié)作為關(guān)節(jié)型機(jī)器人核心零部件，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完成各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，決定機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中整體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性與定位精確性。而生物運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)中樞與肌腱—筋膜等柔性組織作用下，使得生物能夠精準(zhǔn)完成各種運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的同時(shí)能夠靈活應(yīng)對(duì)復(fù)雜未知環(huán)境[3]。因此，如何基于強(qiáng)大的生物力學(xué)性能模仿生物柔性產(chǎn)生機(jī)制，研制與生物關(guān)節(jié)剛度性能高度契合且滿足機(jī)器人運(yùn)行需求的可變剛度關(guān)節(jié)，是關(guān)節(jié)型機(jī)器人領(lǐng)域熱點(diǎn)問(wèn)題。

早在20世紀(jì)末期，就有學(xué)者對(duì)仿生柔性關(guān)節(jié)展開(kāi)研究并取得了一定的成果。在物理柔性方面，學(xué)者通過(guò)將彈性元件引入傳統(tǒng)剛性關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部分與輸出部分之間的方式得到串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器(series elastic actuator, SEA)。然而，考慮到機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中剛度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)需求，SEA這種被動(dòng)產(chǎn)生柔性的方式具有一定局限性。在此基礎(chǔ)上，基于串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的可變剛度關(guān)節(jié)被提出?？勺儎偠汝P(guān)節(jié)構(gòu)型特征是采用在SEA添加彈性元件主動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)源的方式，使得關(guān)節(jié)系統(tǒng)剛度可以隨著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，在保證了關(guān)節(jié)柔性輸出的同時(shí)更加貼近生物關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)特征?！?br>