新型可变刚度关节与8自由度冗余机器人平台在医疗应用中的创新设计
可变刚度关节(VSJ)的魅力
可变刚度关节(VSJ)的主要特性是其出口刚度可独立于出口位置进行变化。通过用可变刚度关节取代传统关节,设备在执行各种任务时,能灵活改变输出刚度或保持输出恒定。不过,使用这类执行器也面临挑战,比如在轨迹规划和控制方面的复杂度大幅增加,尤其是在高动态运动中。
可变刚度关节的应用场景广泛,不仅能用于阻尼运动任务,还能在需要特定输出力的任务中发挥作用,甚至无需电机就能产生力。为使设备对运动提供可变阻力,通常需要高扭矩电机,但VSJ可替代它们,降低能耗并发挥诸多优势。
一些VSJ设计,如AwAS,采用两个弹簧的传统对抗配置,通过控制弹簧张力改变刚度。拉伸弹簧使关节变硬,放松则使其更灵活,这种关节已在ASIBOT服务机器人中得到测试。用于人机交互的VSJ有一个定时传动带,由弹簧张紧,非线性地连接主轴与一对反向驱动的直流电机控制的相对滑轮,协调的角度变化会产生位移和刚度变化。还有基于悬臂梁原理的关节,梁的支撑点可移动,该距离与刚度变化相关;也有使用杠杆的关节,其挠度取决于枢轴位置。
新型VSJ的设计方案
新型VSJ的设计要求是在连杆末端保持恒定刚度,不受旋转角度影响。该设计采用了安装在连杆上的对抗弹簧R1和R2。从平衡位置开始,关节逆时针旋转时,弹簧R1拉伸,R2压缩;顺时针旋转时,情况相反。利用单个弹簧的特性来确定关节刚度与连杆末端力之间的关系。
弹簧的压缩长度$l_c = l_i - x_m$,拉伸长度$l_e = l_i + x_m$。关节刚度取决于弹簧长度的伸缩,弹簧拉伸长度$x_m$取决于旋转角度和连杆半径。可以推断,旋转角度$
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