41、腱驱动可变刚度关节（pVSJ）的设计与性能研究

腱驱动可变刚度关节（pVSJ）的设计与性能研究

1. 腱驱动pVSJ的设计原则

在之前的研究中，为了辅助薄壁支撑任务，开发了带有刚性腰部的超冗余机械臂（SRLs）。为了提高SRLs支撑的稳定性并确保人机交互的安全性，有必要为SRLs设计一个pVSJ。

1.1 设计指标

基于薄壁支撑过程的要求，提出了SRLs关节处pVSJ的设计标准，具体设计指标如下表所示：
| 项目 | pVSJ的设计指标 |
| — | — |
| 关节最大扭矩 | 2N·M |
| 关节系统刚度 | 1.0 - 3.4 Nm/rad |
| 系统轻量化满足强度验证 | 200 - 243 g，E ≥ 1.2 Gpa |
| 摆动过程中的碰撞安全问题 | K ∝ θ |

柔性关节的刚度要求与扭矩正相关，这样关节在低负载下能保持低刚度，更好地吸收SRLs摆动过程中的冲击。

1.2 可变刚度的基本原理

腱驱动pVSJ的设计基于一种特殊的四连杆机构。在这个机构中，齿条长度为0，杆1和杆3通过点A的销钉连接安装在基座上，柔性杆2分别在点B和点C将杆1和杆3连接到销钉关节。
根据虚功原理和胡克定律，可以得到以下公式：
- τ = l₁ sin α · F = L₁ · F (1)
- (L_1 = l_1 \sin \alpha = \frac{l_1l_3 \sin \theta}{l_2} = \frac{l_1l_3 \sin \theta}{\sqrt{l_1^2 + l_3^2 - 2l_1l_3 \cos \theta}}) (2)
- F =