一种旋转型机器人柔性关节设计与分析_史延雷

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— — 史延雷 张明路 张小俊等 一种旋转型机器人柔性关节设计与分析 —
目的 。 目前大部分 柔 性 关 节 依 据 特 定 机 器 人 设 计 ， 普遍存在柔性实 现 机 构 体 积 大 ， 驱动元件与传动 机构不够紧凑 ， 柔性关节整体集成度不高 ， 柔性关 节通用性差 的 特 点 现状
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收稿日期 ： ２ ０ １ ５ １ １ ２ ３ － － ） 基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （ ６ １ ５ ０ ３ １ １ ９
由多个相对独立的盘体组成 ， 盘上加工有不同 节， 形状的滑槽 ， 不同 转 盘 间 的 相 对 转 动 将 推 动 滑 块 转动 ， 滑块通过扭簧驱动关节 ， 实现了关节的柔性 关节通过两组特制钢丝绳线缆驱动 ， 输出 。 同时 ， 利用杠杆原理 ， 达到了柔性关节输出刚度可调的
。
用在轻型机械臂 Ｂ ｉ ｏ Ｒ ｏ ｂ机器人上的串联弹性驱 动器 ， 电机力矩输出通过柔性绳索驱动关节运动 ， 达到柔性输出的目的 。
５］ 尹鹏等 ［ 设计的面向足式机器人的柔性关
事实上 ， 大自 然 中 动 物 与 人 的 运 动 关 节 就 表 现出了非常出色 的 运 动 特 性 ， 不仅具有快速响应 能力 、 大 力 矩 输 出 能 力， 还体现出优秀的柔顺特 性 。 关节柔顺特性不仅仅保护动物机体组织在外 力作用时免受损伤 ， 而且能够保证精准的力输出 。 参考动物关节特 性 ， 国内外研Βιβλιοθήκη Baidu人员提出了在驱
。本文基于柔性关节研究
， 以串联弹性驱动 为 核 心 展 开 研 究 ， 设计
出了一款紧凑 、 通用的机器人柔性关节 ， 在完成关 键刚度模型分析的基础上进行了关节的结构设计 与样机研制 。
１ 动物关节柔性产生机理研究
图 １ 是人类膝关节结构图 。 膝关节连接股骨 和胫骨 ， 是人体最大且构造最复杂的关节 ， 人类行 走、 跑步 、 跳跃均由膝关节完成 。 股四头肌是膝关 ， 驱动器 ” 通过股四头肌的伸缩 ， 完成小 节运动的 “ 腿伸 、 大 腿 伸 屈、 维 持 站 立 等 动 作， 股四头肌与胫 韧 带 连 接， 通 过 肌 腱、 韧带牵引胫骨 骨通 过 肌 腱 、 这种物质在受到 转动 。 肌腱是一 种 黏 弹 性 物 质 ， 迅速拉伸时 ， 能够产生较大的弹性力 ， 肌腱的串联 弹性可使肌肉在最佳范围内运动 ， 在奔跑 、 跳跃过 程中 ， 关节的肌腱 、 韧带被认为是动物储存和释放 也 称 为 弹 性 储 能 元 件， 起到柔性缓 能量 的 机 构 ， 冲、 能 量 储 存、 能量放大等重要作用， 是实现关节
中国机械工程第 ２ ７ 卷第 １ ８期２ ０ １ ６ 年 ９ 月下半月
一种旋转型机器人柔性关节设计与分析
史延雷 张明路 张小俊 白 丰
河北工业大学 ， 天津 ， ３ ０ ０ １ ３ ２
摘要 ： 通过对人类膝关节柔性产生机 理 研 究 ， 仿 照 动 物 关 节 肌 肉 －肌 腱 组 织 设 计 出 一 种 适 用 于 电 机 ） 驱动的旋转型柔性关节 。 通过研究对比旋 转 型 Ｓ 与直线型 Ｓ Ｅ Ａ（ ｓ ｅ ｒ ｉ ｅ ｓ ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ ａ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｏ ｒ Ｅ Ａ 机 构 特 点， 提出一种由 ８ 个压缩弹簧协同组成的柔性输出机构 ， 并建立柔性输出机构刚度模型 ， 确立了弹性元件参 数与柔性关节等效刚度的数学关系 。 在此基础上 ， 对柔性关节整体进行紧凑化设计 ， 电机 、 减速器 、 柔性 输出机构集中安装于关节部位 ， 使柔性关节模块化 、 通用性强 。 通过对该柔性关节软件仿真及关节样机 测试 ， 验证了关节抗冲击能力和柔性输出能力可以满足柔性关节型机器人对柔性关节的应用需求 。 关键词 ： 机器人 ； 柔性关节 ； 紧凑设计 ； 串联弹性驱动器 中图分类号 ： Ｔ Ｐ ２ ４ ２． ６ ： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ ４ － １ ３ ２ Ｘ． ２ ０ １ ６． １ ８． ０ １ ４ ｊ
［ ］ １
动器与执行器间串联弹性元件的串联弹性驱动器 （ ， ， 并基于此柔性驱 ｓ ｅ ｒ ｉ ｅ ｓ ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ ａ ｃ ｔ ｕ ａ ｔ ｏ ｒ Ｓ Ｅ Ａ） 动器原理设计出了多种具有柔顺特性的机器人关 节结构 。 Ｋ ｏ ｎ ｇ等
［ ２］
设 计 的 外 骨 骼 机 器 人， 通过在一
［ ９ － １ ４］ ［ ６ － ８］
压缩弹 簧 ） 实 现 关 节 的 柔 性 输 出， 这种 弹性元件 （ 直线型 Ｓ 限制了关 Ｅ Ａ 需要安装在两关节臂之间 ， 节的灵活程度 ； 圆周型 Ｓ Ｅ Ａ 是在旋转型驱动器与 旋转输出轴间串联 弹 性 元 件 （ 压 缩 弹 簧、 卷簧等） 来实现柔顺特性 ， 圆周型 Ｓ Ｅ Ａ 适用于电机驱动的 关节型机器人上 ， 相较于直线型 Ｓ Ｅ Ａ 的优点是省 去“ 旋转 －直线 －旋转 ” 转 换， 结 构 紧 凑， 关节活动范 围大 ， 柔性参数易于设计 。 通过以上对于 直 线 型 和 圆 周 型 Ｓ Ｅ Ａ 优缺点 的分 析 ， 为 达 到 结 构 紧 凑、 通 用 性 强 的 特 点， 考虑 到现有关节型机 器 人 多 为 电 机 驱 动 型 ， 故本文采 用圆周型 Ｓ Ｅ Ａ 作为柔性关节设计的基本结构 。 ２． ２ 柔性输出机构刚度模型分析 本文设计的提供柔顺特性的柔性输出机构简 主 要 包 括 弹 簧 安 装 架、 弹 簧 和 输 出 盘。 图见图 ２， 旋转驱动输入带 动 弹 簧 安 装 架 转 动 ， 弹簧安装架 弹簧推动输出盘转动输出扭矩 ， 压缩弹 压缩弹簧 ， 簧作为弹性元 件 实 现 柔 顺 特 性 ； ４组８条弹簧对 称布置 ， 在实现双 向 柔 顺 的 同 时 降 低 了 对 单 一 弹 簧的参数要求 。
０ 引言
关节型机器人 以 其 活 动 灵 活 、 工作空间大的 特点 ， 广泛应用于工业 、 医疗等各个领域 。 传统的 机器人关节采用刚性设计方法 ， 运动速度 、 精度已 经达到较高水平 ， 但随着机器人应用的不断普及 ， 面对新任务 ， 传统刚性关节已经不能满足要求 ： 工 作在障碍物较多 的 未 知 环 境 ， 刚性机器人因碰撞 障碍物而导致 精 度 降 低 或 损 坏 ； 在与人类肢体直 接接触的助残 、 康复 、 外骨骼机器人上 ， 安全问题是 设计过程中必须考虑的重要方面 ， 刚性机器人即使 安全系数仍不能达到要求 配合各类传感装置 ，
实现了机器人 级减速与二级减 速 之 间 串 联 扭 簧 ， 关节的柔顺特性 ， 主要用来实现小腿关节的转动 。 Ｋ ｎ ｏ ｘ等
［ ３］
研制的双足机器人 ＫＵＲＭＥ 腿部由 Ｔ，
四个圆形弹性驱 动 器 实 现 周 向 驱 动 ， 采用扭转卷
［ ４］ 簧作为柔 性 产 生 单 元 。Ｌ ｅ ｎ ｓ等 设 计 了 一 款 应