一种基于弹簧片的可变刚度关节

随着机器人环境友好、安全可靠的发展趋势,可变刚度弹性驱动关节成为了研究热点。变刚度弹性驱动关节能够缓冲碰撞,消除机械震荡,提高机器人对人和环境的安全性。提出了一种以弹簧片为弹性元件的变刚度柔性关节,可以在一定范围内调节其刚度,并建立了关节的数学模型,推导了关节刚度计算公式,实现了刚度的调节控制。     

柔性齿条式变刚度关节驱动器设计与研究

关节驱动器对于提升机器人环境适应能力和降低能量消耗具有重要意义。设计并实施一种柔性齿条式变刚度关节驱动器,能够根据任务需要,实时调节关节刚度。详细阐述关节驱动器的变刚度原理,详细展示该关节驱动器的机械结构。建立柔性齿条式关节驱动器的静力学模型,推导关节刚度与调整位移之间的理论关系式。完成了软件仿真和系统试验,验证了本方案的可行性。柔性齿条式变刚度关节驱动器能够有效缩小驱动器的整体体积,同时具有较大的刚度调整范围以及较短的刚度调节时间。     

基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节设计与分析

为满足足式机器人跑跳等动态运动对关节柔性及其变刚度特性的迫切要求,借鉴生物关节柔性特征与主被动刚度调节机理,创新地提出了一种基于凸轮机构的新型变刚度仿生柔性关节。基于关节刚度特性分析,构建了关节整体刚度模型,并针对影响关节刚度特性的各结构参数开展了系统优化设计,研制出了一款紧凑型高集成度关节样机。关节样机性能实验结果表明,基于凸轮机构的变刚度仿生柔性关节具备理想的关节输出力矩与刚度调节范围,可通过关节固有刚度特性与动态刚度特性的主被动融合控制,实现关节瞬时刚度的动态非线性精确调节,能够满足机器人动态运动对关节柔性与刚度的需求。     

服务机器人变刚度关节驱动系统设计

针对现代服务机器人安全性、环境适应性和能量利用率等问题,提出了一种可变刚度的关节驱动系统,该系统利用一种并联且具有特殊几何结构的平面扭簧作为弹性模块以实现其变刚度特性。分析了平面扭簧的刚度特性,通过对平面扭簧的结构特点及其力学特性的分析,建立了扭簧刚度与偏转角度及扭簧刚度与预紧量之间的关系,为关节驱动系统的性能优化提供了理论依据。仿真结果表明,所用平面扭簧偏转角度约为7°,刚度变化范围大,能够满足服务机器人关节刚度需求。该系统既保留了刚度可变的特性,又减少了弹性模块所占的空间体积,并大大简化了系统的结构,便于维护。     

变截面交叉簧片柔性铰链的力学建模与变形特性分析

交叉簧片柔性铰链是一种应用广泛的柔性转动关节。依靠簧片的分布式柔度可以产生较大的转动角度,但是与此同时铰链转动过程中的中心漂移大、抗干扰能力较差,这些都影响了铰链的传动精度和稳定性。通过采用非等直簧片构造的变截面交叉簧片柔性铰链可以使弹性元件的变形主要集中于铰链的交叉点附近,从而改变铰链的转动性能。基于Euler-Bernoulli梁理论建立了考虑几何非线性的变截面交叉簧片柔性铰链的末端载荷与铰链变形之间的关系。通过与有限元仿真进行对比,验证了文中建立的变形模型的准确性。利用柔性铰链的静态变形模型,分析了铰链的转动范围、转动刚度、中心漂移和抗干扰性能与簧片截面系数之间的关系。分析结果表明,对比传统交叉簧片柔性铰链,变截面交叉簧片柔性铰链具有更高的转动精度。     

基于永磁弹簧-摆动导杆的变刚度机构力学特性研究

提出一种可用于变刚度关节驱动器的永磁弹簧-摆动导杆变刚度机构,采用轻质绳索牵引改变永磁弹簧气隙间距及初始刚度,同时利用摆动导杆机构运动改变内外圈相对转动所需扭矩大小。分析了变刚度机构的刚度调节机理,阐述了变刚度机械结构。通过永磁弹簧气隙间距-磁力实验结果获得永磁弹簧刚度模型,并根据变刚度机械结构建立的静力学模型分析了机构的力学特性。通过Matlab数值仿真,结果表明永磁弹簧初始刚度对弹簧压缩量及导杆转角的影响规律。根据永磁弹簧与定刚度线性弹簧的绳索拉力变化,对比结果表明采用变刚度永磁弹簧可以进一步增加绳索的拉力变化范围,即可以有效增大机构的刚度变化范围。     

不同参数对交叉簧片型柔性铰链刚度特性的影响

在柔性铰链刚度特性分析方面,目前的分析方法大多是针对线性小变形的柔性铰链刚度特性,且没有全面地考虑不同参数对柔性铰链刚度的影响。关于大变形柔性铰链的刚度分析方法的研究也不多见。为了解决大变形交叉簧片型柔性铰链的刚度特性研究方法不足等问题,采用了理论分析、有限元模拟和实验测量3种分析方法,对柔性铰链的刚度特性进行了研究。首先,基于欧拉伯努利梁对交叉簧片型柔性铰链进行了理论分析,建立了非线性大变形力学模型,并用L-M数值迭代法进行了求解,分析了柔性铰链的垂直、水平和旋转刚度,并研究了不同几何参数和载荷对刚度的影响;然后,选择了7组不同柔性铰链参数,建立了柔性铰链的有限元分析模型,设计了可调节几何参数和施加复合载荷的柔性铰链刚度特性测量平台;最后,使用理论分析、有限元模拟和实验测量3种方法对柔性铰链刚度特性进行了分析与研究。研究结果表明：3种方法对柔性铰链的刚度分析结果总体的误差小于9%,证明了该方法是有效的;其中,柔性铰链的旋转刚度远小于水平刚度和垂直刚度,且随着载荷的增加产生了非线性;在影响因素方面,水平载荷和交叉系数对旋转刚度影响较大,垂直载荷和交叉角度对旋转刚度影响较小。该研究结果可...     

基于差动轮系的变刚度执行器及变刚度柔性手爪

结合差动轮系和杠杆原理设计了一种调刚范围从0～+∞的变刚度执行器,并完成了其结构优化设计和调刚能耗优化设计。该变刚度执行器具有变刚度范围大,调刚能耗需求低,占用空间小,易控制,响应速度快,可靠性强,技术实现可行性高等优点,具有一定的实际应用意义。在此基础上设计了一款欠驱动变刚度柔性手爪,将变刚度执行器作为手爪关节的驱动单元,通过调节变刚度执行器的刚度来改变手爪的刚度。最后,搭建了变刚度柔性手爪的硬件平台,对变刚度执行器进行了刚度测量,验证了所设计的变刚度执行器在进行刚度调节上的可行性。进行了变刚度柔性手爪的力控制实验,成功实现了对柔软物体的抓取。对变刚度柔性手爪的单指进行了性能分析,并验证了手指刚度与变刚度执行器刚度呈正相关关系,完成了变刚度柔性手爪性能实验验证。     

主-被动复合变刚度柔性关节设计与分析

为解决传统刚性机器人在特定领域应用受限问题,为其设计一款同时具有主、被动变刚度特性的复合式柔性关节。通过调查研究国内外变刚度柔性关节结构,对变刚度柔性关节按结构原理分为杠杆机构、凸轮机构两类,并基于凸轮机构原理,通过紧凑化设计实现了主-被动变刚度在同一关节的整合。建立该柔性关节数学模型,并对凸轮槽曲线进行了优化设计,得到了关节等效刚度随柔性变形量逐渐增大的凸轮槽曲线,在此基础上对柔性关节进行了刚度特性分析。对关节样机进行了静态刚度测量及动态抛掷试验,结果表明该变刚度柔性关节能够实现主、被动刚度调节功能,且在结构设计上适应现有机器人机构应用。     

一种抗冲击柔性关节的设计及仿真分析

针对机械臂工作环境的动态变化以及人机交互安全性问题,设计了基于被动柔顺结构和主动柔顺控制的抗冲击柔性关节。在关节电机和负载之间加入串联弹性驱动器,并且设计了一种新型扭转弹性体作为弹性元件来代替传统扭簧。建立了柔性关节动力学模型,基于关节的多传感器感知能力制定了阻抗控制策略,最后对关节虚拟样机进行ADAMS/Simulink联合仿真来验证控制策略的可行性,结果表明该柔性关节具有良好的力顺应性和抗冲击特性,可以实现与环境之间的安全交互。