可调刚度柔性致动器的研究

The next generation of robots have to meet the strict requirements of tasks with physical human-robot interaction or high dynamic motions as running and jumping. This poses new challenges to the design of actuator to make robots more accurate, more powerful, faster, and energy efficient. Considered as the most promising approach to these challenges, existing VSAs (Variable Stiffness Actuator) still can be significantly improved in some respects, such as size, weight, accuracy of stiffness, analytical energy model. This project is about to develop a new VSA based on compliant pivots structured by beams instead of conventional springs. The design realizes compact size, light weight, high output speed and torque capability and large range of motion and stiffness. Nonlinear control algorithms and on-line stiffness estimation methods are used to get more accurate control of motion and force. The increasing of peak power output and energy efficiency is achieved by the research of the analytical model of energy transmission. This project will substantially advance the state of the art in robot design and control to ensure the intrinsic safety of industrial robots, the energy efficiency and agility of legged robots, as well as the comfortability and controllability of wearable devices.

新一代机器人所面对的人机交互工作环境和诸如奔跑、跳跃等高动态任务需求对其驱动模块的力控制精度、峰值输出力、极限速度及能量效率等性能提出了全新的要求。可调刚度致动器作为最具前景的新型驱动装置解决方案，目前在结构小型化、轻型化、力学关系精确化、能量特性解析化等方面依然存在较大的提升空间。本申请拟针对尺寸、重量、行程、速度、承载能力、刚度调节范围等目标优化可调刚度致动器柔性单元和刚度调节机构；利用非线性控制策略和刚度在线辨识方法，完成基于簧片式柔性铰链的集成化、轻量化、大负载、高精度可调刚度致动器设计；同时结合能量传递解析模型研究，实现致动器功率放大特性和节能特性的优化控制策略。研究成果将对工业机器人的本质安全性、步行机器人的高能效和敏捷性以及可穿戴设备的舒适性和可控性带来显著提升。

新一代机器人所面对的人机交互工作环境和任务需求对其驱动模块的力控制精度、峰值输出力、极限速度及能量效率等性能提出了全新的要求。本项目针对以上要求，所开展的研究工作如下：.1)可调刚度致动器能量特性研究。利用简化的 VSA 线性动力学模型，分析了在仅存在惯性负载、输出端运动轨迹为简谐信号且运动过程中 VSA 刚度不变时，关节单周期能耗与刚度的关系，推导出了其解析表达式，并给出了使能耗最低的关节最优刚度计算公式。在此基础上，利用傅里叶变换和三角函数集的正交性，将上述方法推广至输出端运动轨迹为非简谐信号的情况，得到了一般运动下的 VSA 刚度优化设计方法。在对5种不同的输出端运动轨迹进行的仿真中，与刚性致动器相比，刚度优化后的 VSA 所驱动的关节节能比例最小为 22.73%，最大则达到了51.92%。上述研究为关节机器人周期性运动最优能耗控制策略提供了理论性参考。.2)具有功率耦合特性的可重构可调刚度致动器研究。针对不同的动态任务性能需求不兼容的问题，提出了基于导杆机构的可重构可调刚度致动器设计方法，并将两种不同构型的刚度调节机构的刚度解析表达式统一表达。在此基础上，利用不同曲线之间的复合运动，同时实现刚度与位置的解耦控制以及双电机功率耦合，最低功率耦合率可达79%，有望打破可调刚度致动器功率制约，拓宽被动式可调刚度致动器的应用邻域。.3)柔性铰链在精密静平衡仪中的应用。本课题基于柔性梁约束模型，提出了一级、二级菱形位移放大机构的非线性解析模型，用以准确地描述放大机构的运动特性，为利用其作为机械主体搭建电磁力平衡传感器奠定了理论基础。通过对交叉簧片柔性铰链的疲劳特性分析，提出了从内部应力、局部应力两个角度来提高铰链疲劳寿命的方法。 基于二级菱形位移放大机构，设计了一种新型电磁力平衡传感器。通过重复性、偏载误差等测试实验验证了系统设计的可行性，样机测试测试不平衡力矩可达到2g·mm。为柔性铰链技术在高精密设备领域的重要应用。