基于簧片式柔性铰链的柔性驱动器研究

This application aims at studying on the compliant actuator with equilibrium-controlled stiffness based on flexure hinge. .Compliant actuator has tremendous potential that used in bio-mimetic robots, industrial robots, the robots for medical treatment by reason of the excellent merits, e.g., bio-mimetic abilities, desired security, energy saving and absorbing competence and a compact structure. . This kind of actuator is based on flexure hinges instead of conventional springs. Firstly, probe into the design innovation of compliant actuator. Summed up the design principle that satisfy the request of the compliant actuator and confirmed the topologized configuration of compliant pivots that used in compliant actuator, the parametric design of compliant pivots will be accomplished. Secondly, based on the cascaded control strategy, research the characteristic of compliant actuator, and the indices estimation system will be established thereafter. Furthermore, combining the compliant actuator design with zero stiffness principle, the system with mechanically-controlled stiffness will be analyzed. A compliant actuator with compact structure then be designed for its' bio-mimetic character. At last, set up an effective performance testing framework and foresee the implantation in bio-mimetic robots domain..The research production is significant for the guidance of design innovation of passive compliant actuator with compact structure, meanwhile, affirmative for engineering application.

本项目的研究对象是基于柔性铰链的平衡位置式柔性驱动器。柔性驱动器具有仿生特性好、安全性高、储能高效、结构紧凑等特点，在仿生机器人、工业机械臂、医疗康复机器人等领域应用潜力巨大。本申请拟以柔性铰链为基本柔性单元(替代传统弹簧)，探讨柔性驱动器的创新设计理论，总结出可满足预期要求的柔性驱动器设计原则，确定所用柔性铰链的拓扑构型，完成柔性铰链的参数化设计；基于双闭环层叠控制策略，研究柔性驱动器特性，建立柔性驱动器性能评价指标体系；将零刚度原理引入柔性驱动器的结构设计中，研究纯机械式变刚度柔性驱动器系统，开发出具有仿生特性的紧凑型柔性驱动器；构筑柔性驱动器性能测试平台，并关注柔性驱动器在仿生机器人领域的应用。.本项目研究成果对指导紧凑型被动式柔性驱动器的创新设计及应用具有引领和指导意义。

本项目对大变形柔性铰链在柔性驱动器中的应用开展了研究，进一步设计了基于簧片的变结构式可调刚度致动器。此外，通过改变拓扑构型，构造了新型大行程高精度柔性轴承；探索了交叉簧片式柔性铰链和柔性虎克铰在静平衡仪中的应用。本项目主要取得了以下创新成果：.(1) 建立了基于力矩闭环和速度闭环控制的柔性驱动器分析模型。基于“隔离原理”和“倒置原理”，设计了应用于柔性驱动器的四类基本变形单元和适用的环形柔性铰链，并通过Awtar方法建立了柔性铰链的力学解析模型。配以结构紧凑的盘式电机，设计了相应的实验平台，对柔性驱动器信号跟踪、碰撞力特性、安全特性做了实验分析。.(2) 总结了常见簧片型变结构式刚度调节机理，设计了一种基于折叠串联型平行排布簧片组的新型可调刚度致动器，简化了刚度调节机构的运动并实现了关节驱动与刚度控制的解耦，同时使系统可在有限的尺寸和足够的承载能力下获得更低的刚度。分析了理想模型与刚度辨识实验结果的差异，随后考虑簧片与滚子的间隙建立了更为精确的关节刚度解析模型。分析了该间隙对关节性能如刚度特性、变形能力、储能能力等造成的影响。.(3) 构造了一种新型广义三交叉簧片柔性轴承，仿真分析了其轴漂特性并建立了刚度模型，对旋转刚度、径向刚度、轴向刚度、轴漂、温漂以及疲劳寿命等进行了实验测量。建立了交叉簧片柔性轴承的翘曲模型，提出了一种消除翘曲问题的可行方法。通过对拓扑构型的研究，得到了一种综合性能最佳的新型内外环柔性铰链，通过梁约束模型应变能理论建立了旋转刚度模型，搭建了多种不同规格的柔性轴承样机并进行了测试。.(4) 建立了含垂直力载荷高阶项的交叉簧片柔性铰链弯矩刚度模型和垂直力刚度模型，提出了使得弯矩刚度不受垂直力载荷影响而且综合轴漂取值最小的交叉簧片柔性铰链的参数取值，并进行了铰链精度、失稳载荷和应力分析。基于相应的柔性铰链和柔性虎克铰，分别搭建了单轴和双轴柔性静平衡仪，并开展了实验研究。