基于折叠式串联簧片的可调刚度致动器设计

发布时间：2020-02-01 14:40

【摘要】：可调刚度致动器能为机器人动态性能和人机交互安全性带来显著提升。在对常见簧片型变结构式刚度调节机理进行分析总结的基础上设计一种基于折叠串联型平行排布簧片组的新型旋转式可调刚度致动器,分析其刚度调节原理并介绍样机机械结构。针对实际刚度调节机构中簧片与滑块滚子的间隙,建立修正的关节旋转刚度解析模型。通过系统试验证明了模型的准确性和整体方案的可行性。折叠式串联簧片的应用使系统在有限的尺寸和足够的承载能力下获得了更大的刚度调节范围。簧片的平行排布设计则实现了多组柔性单元滑块滚子运动的同步及关节驱动与刚度控制的解耦。
【图文】：

验验证了模型的准确性和方案的可行性。1变结构式调节机理分析与设计变结构式VSA多以螺旋弹簧[21]或簧片[22]为柔性单元，其中簧片型柔性单元精度更高且更易集成在旋转关节中，是当前的研究热点。1.1常见簧片型刚度调节机构分析刚度调节机构由簧片与滑块组成，滑块可沿簧片长度方向移动且约束了簧片的横向位移，以此调节其有效长度。根据簧片有效作用区段的不同，常见的刚度调节机构主要有两种。(1)负载作用于簧片自由端，滑块与负载作用点之间为簧片的有效作用区域。根据关节转轴相对簧片的位置不同，有图1～3所示三种安装形式。图1关节转轴在簧片固定端(kR1)el为簧片有效作用长度，sl为簧片无效段长度，F为簧片自由端横向载荷，y为簧片变形后负载作用点的横向位移，R为负载作用点与关节转轴的距离。图2关节转轴在簧片中间(kR2)图3关节转轴在簧片自由端(kR3)簧片的有效作用区段可以简化为悬臂梁模型，因此小变形条件下的负载作用点横向位移为33ee343FlFlyEIEbh(1)式中，E为簧片材料的弹性模量，I为簧片截面惯性矩，b为簧片宽度，，h为簧片厚度。负载F所产生的关节力矩与簧片变形带来的关节转角分别为/TFRyR(2)因此三种安装形式的关节转动刚度为321233e/4RRRTFREbhRkkkyRl(3)上述三种安装形式所导出的关节刚度解析公式区别仅在于不同的关节力臂R。后两种形式可在簧片与关节整体尺寸一定的条件下获得更小的R。(2)负载作用于滑块，滑块与固定端之间为簧片的有效作用区域。根据关节转轴相对簧片的位置区别，同样有图4～6所示的三种安装形式。图4关节转轴在簧片固定端(kR4)图5关节转轴在簧片中间(kR5)

见簧片型刚度调节机构分析刚度调节机构由簧片与滑块组成，滑块可沿簧片长度方向移动且约束了簧片的横向位移，以此调节其有效长度。根据簧片有效作用区段的不同，常见的刚度调节机构主要有两种。(1)负载作用于簧片自由端，滑块与负载作用点之间为簧片的有效作用区域。根据关节转轴相对簧片的位置不同，有图1～3所示三种安装形式。图1关节转轴在簧片固定端(kR1)el为簧片有效作用长度，sl为簧片无效段长度，F为簧片自由端横向载荷，y为簧片变形后负载作用点的横向位移，R为负载作用点与关节转轴的距离。图2关节转轴在簧片中间(kR2)图3关节转轴在簧片自由端(kR3)簧片的有效作用区段可以简化为悬臂梁模型，因此小变形条件下的负载作用点横向位移为33ee343FlFlyEIEbh(1)式中，E为簧片材料的弹性模量，I为簧片截面惯性矩，b为簧片宽度，h为簧片厚度。负载F所产生的关节力矩与簧片变形带来的关节转角分别为/TFRyR(2)因此三种安装形式的关节转动刚度为321233e/4RRRTFREbhRkkkyRl(3)上述三种安装形式所导出的关节刚度解析公式区别仅在于不同的关节力臂R。后两种形式可在簧片与关节整体尺寸一定的条件下获得更小的R。(2)负载作用于滑块，滑块与固定端之间为簧片的有效作用区域。根据关节转轴相对簧片的位置区别，同样有图4～6所示的三种安装形式。图4关节转轴在簧片固定端(kR4)图5关节转轴在簧片中间(kR5)

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