, 周生啟, 王颜东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2016-06-20
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51575092)；辽宁重大装备制造协同创新中心项目。
作者简介：房立金(1965-)，男，辽宁沈阳人，东北大学教授，博士生导师。
摘要：为研制出一种符合人体肘关节参数的变刚度关节结构, 使其在实际应用中能更好帮助到人类.以人体肘关节为例提出了一种符合人体关节形态的变刚度关节结构.在关节中采用了弹簧片、行星轮系和曲柄滑块机构.通过两台电机分别驱动太阳轮和外齿圈, 将行星轮的转动转化成滑块的移动, 从而改变弹簧片的支撑位置并改变关节的刚度.与其他同类设计相比, 所提出的关节在结构和布局方面更符合人体关节的结构形态, 可应用于其他关节的设计.
关键词：变刚度关节结构设计肘关节仿生机器人实验分析
Structure Design of a New Variable Stiffness Joint
FANG Li-jin
, ZHOU Sheng-qi, WANG YanSchool of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: FANG Li-jin, E-mail: ljfang@mail.neu.edu.cn
Abstract: Designing a stiffness joint structure that accords with the elbow parameters of the human body, make it better to help people in practical applications. Based on the parameters of the human elbow joint, a new variable stiffness joint structure is presented, which is in line with the human joint configuration. The new joint consists of leaf springs, planetary gear train and crank-slider mechanism. The sun gear and the ring gear are driven by two different motors, and the rotations of the planetary gears are turned into the movement of the sliders. The supporting positions of the leaf springs change as the sliders move, and the stiffness of the joint is adjusted. Compared with that of the other similar designs, the structure and the layout of the new joint presented are in much more accord with the configuration of the human joint, and the new joint could be applied to other joint designs.
Key Words: variable stiffness jointstructure designelbow jointbionic robotexperimental analysis
目前, 以工业机器人为代表的机器人技术已经达到了很高的水平, 并得到了很好的应用.但是当机器人在更为复杂的环境中应用时, 机器人的适应能力则存在着很大的不足.与工业环境不同, 在医疗、服务以及野外等环境应用时往往要求机器人能够像人一样具有更为强大的环境适应能力.以往的研究和应用表明, 解决上述问题不能像传统机器人那样, 追求机器人的高刚度或保持机器人的刚度固定不变, 而是应使机器人能够根据实际需要改变其自身的刚度.
国内外学者在仿生变刚度关节方面已开展了大量的研究和探索, 提出了很多的理论方案和结构设计.大体上, 从关节的结构设计角度可以将相关的研究工作划分为以下几类:①基于气动人工肌肉的关节; ②基于磁流变、电流变、形状记忆合金等功能材料的关节; ③基于新型有机高分子材料的关节; ④基于传统机械弹性元件的关节[1].上述关节方案各有其优缺点, 现阶段也还没有哪一类关节的设计可以取代其他关节作为通用的关节设计来使用.相对而言, 机械弹性元件是传统元件, 具有刚度特性好、承载能力强及成本低等优点, 本文所述关节是基于机械弹性元件的机器人关节.
就基于机械弹性元件的变刚度关节而言, 同样有很多国内外学者的研究成果可供参考.德国宇航局(DLR)的Wolf等提出了基于改变弹簧长度进而改变关节的刚度的VS-Joint(图 1a)和基于能量观点的变刚度关节FSJ[2-3]; 意大利技术研究所(IIT)基于一种弹簧组合设计开发了一种结构紧凑的柔性驱动单元AWAS-Ⅰ及改进版AWAS-Ⅱ[4-6]; 韩国大学的Kim等提出了基于可调力臂设计的混合变刚度执行器(HVSA)[7](图 1b); 台湾大学的Wang等设计了APVSEA和AVSEA[8-9](图 1c)等.在上述变刚度关节设计中, 与人体关节相比, 很多研究主要关注变刚度功能的实现, 而对关节结构布局的关注较少, 有些关节在应用时受到很大的限制, 不利于实际应用.例如VS-Joint和HVSA的变刚度部分设计虽然紧凑但电机位置不是很合理, 增大了关节的轴向尺寸, 不利于变刚度关节在人体上的应用; APVSEA和AVSEA结构形状虽然比较符合人体手臂, 但是其输出端的结构设计不是很稳定, 运动平衡性不好.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 各关节实物对比图Fig.1 Each joint physical of contrast figure (a)—VS-Joint；(b)—HVSA；(c)—AVSEA. |
对比分析可以发现这些关节中有一些不是很理想的参数.本文基于上述研究中存在的不足, 以人体肘关节的参数为设计参考, 基于传统机械弹性元件提出了一种新型变刚度关节的结构, 给出了相关设计、分析和样机实验结果.
1 肘关节参数的选取为了设计出符合人体手臂的变刚度肘关节, 就需要获得符合手臂的结构运动参数, 参考现有的文献资料[10-11], 可以得到当肘关节从60°/s到120°/s作等速向心收缩运动时, 关节的屈肌峰力矩从34.5Nm减到28.5Nm, 伸肌峰力矩从43.0Nm减到32.7Nm, 同时又得到手臂的一些关键结构尺寸和运动参数(见表 1).
表 1(Table 1)
 表 1 手臂关节参数Table 1 Parameters of arm joint
| 表 1 手臂关节参数 Table 1 Parameters of arm joint |
在已有的材料基础上, 又选取了10位同学进行取样测量, 设定取样条件为小臂和大臂夹角为90°, 手臂持续1min内的受力平均值, 测量受试人员的小臂长度, 进而计算出肘关节所受的力矩, 表 2为取样数据结果, 可以看出取样测量结果与文献得到的数据参数基本吻合.根据这些调查研究的结果, 现选用身高为175cm, 体质量为70kg的人体模型为参考.由于肘关节有时需要带动前臂做加速运动, 这就需要考虑到惯性力矩对肘关节的影响作用, 取肘关节的最大角加速度为2.04rad/s2, 结合表 1参数, 再根据公式
表 2(Table 2)
表 2 调查取样参数Table 2 Survey sampling parameters
| 表 2 调查取样参数 Table 2 Survey sampling parameters |
 | (1) |
 | (2) |
可以根据现有的数据参数, 确定出肘关节的设计目标参数值, 见表 3.
表 3(Table 3)
表 3 肘关节设计目标参数Table 3 Design target parameters of elbow joint
| 表 3 肘关节设计目标参数 Table 3 Design target parameters of elbow joint |
2 关节的工作原理此变刚度关节采用改变弹簧片的有效工作长度的方法来改变关节的刚度, 如图 2所示.该结构利用行星轮系统, 用两个电机分别控制太阳轮和外齿圈, 同时在行星轮轴轴端连接一个曲柄, 使曲柄和行星轮同步转动, 利用曲柄滑块机构, 把行星轮的转动转化成滑块在弹簧片上的移动, 从而改变弹簧片的支撑位置, 使得弹簧片的有效工作长度发生变化, 由材料力学可知, 当悬臂的弹簧片的悬臂长度变化时, 即使受力相同, 悬臂弹簧片的自由端在力的作用下的挠度也会不同, 这就使变刚度关节的刚度发生了变化, 从而完成了变刚度的过程.根据行星轮系统的运动特性, 在太阳轮和外齿圈能够分别驱动的情况下, 两个行星轮可以进行两种运动方式, 即自转和围绕太阳轮中心轴的公转, 利用这两种运动方式, 可以实现变刚度关节的刚度变化和关节弯曲转动角度变化的单独控制, 如图 3所示.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 刚度变化基本原理图Fig.2 Basic principle diagram of stiffness variation |
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 变刚度运动原理图Fig.3 Principle diagram of the variable stiffness movement |
1) 改变肘关节刚度:使用电机分别驱动太阳轮和行星外齿圈, 当两台电机之间的速度达到一定关系, 可以使行星轮自转, 并且要保持行星轮不能发生绕太阳轮中心的公转, 行星轮自转带动曲柄同步转动, 使曲柄上的圆柱销在曲柄滑槽的滑槽内滑动, 并且圆柱销推动滑块在弹簧片上做直线移动, 即改变了弹簧片的支撑位置, 使弹簧片的有效长度发生变化, 实现了在关节弯曲角度不变的情况下使关节只发生刚度变化的功能, 关节刚度的变化则是根据环境实际需要人为进行主动调节.此时外齿圈的角速度与太阳轮的角速度之间的关系式为
 | (3) |
令ω1＝ω3＝0, 则ω2＝μ0ω4.
2) 改变肘关节弯曲角度:控制太阳轮和行星外齿圈的转动关系使行星轮绕中心轴公转, 而行星轮围绕行星轴的角速度为零, 这时曲柄不会发生转动, 滑块在弹簧片上也不会发生滑动, 使关节中弹簧片的有效长度保持不变, 在负载不变的情况下, 关节的刚度保持不变.现在令行星外齿圈和太阳轮同步旋转一定角度后, 即行星外齿圈和太阳轮同时转动了θ度并且是同方向的转动, 则关节的输出端发生θ度的弯曲, 而这时的关节刚度没有发生变化, 即满足式(4), 这就实现了在恒刚度条件下单独改变关节弯曲角度的功能.
 | (4) |
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 关节结构布置图Fig.4 Joints structure arrangement |
图 4为变刚度关节的整体结构, 主要包括:大臂输入连接端口; 双电机; 一级减速器; 二级减速器; 三级减速器; 关节变刚度部分; 小臂输出连接端口等.
为了使关节在满足最大旋转速度的情况下, 关节整体结构的稳定性更好、运动平衡性更好, 把大臂支撑架和小臂输出架设计成“U”型架结构, 而支撑滑板架设计成“H”型, 这两种结构的使用使得关节的大小臂架和支撑滑板在满足结构强度的情况下采用铝合金制造, 从而减轻了关节的重量, 以满足设计要求.
大臂输入连接端口可以连接直接到具有独立动力的肩关节的输出接口上.小臂连接端口可以连接具有独立动力驱动系统的机械手, 并且端口结构可以根据机械手接口结构而改变.
由于整个关节的结构布置需要满足手臂的形状要求, 同时使其整体尺寸大小满足设计要求, 采用两套传动系统并排放置, 节省了变刚度关节的空间尺寸, 优化了关节整体结构, 使得关节运转的稳定性和平衡性增强.为了满足关节的传动要求, 采用了三级减速装置:一级减速器为了能够很好地和电机进行组装配合, 并且拥有小的结构尺寸, 现采用微型行星减速箱; 二级减速器使用的是蜗杆传动, 因为其能够实现空间90°交错的两轴之间的动力与运动的传递, 可以改变肘关节传动系统的传动方向, 使电机的布置方向顺着手臂方向.同时利用其自锁能力, 可以保证在电机突然失去驱动力的情况下, 关节可以保持原有形态, 不会发生突然的运动形态的变化, 起到了安全保护的作用, 从而增加了整个关节的使用安全性; 三级减速器为同步带传动, 使用同步带传动可以把蜗轮蜗杆系统放置在关节变刚度部分的后面, 从而减小了关节横向的尺寸, 又充分合理利用了关节以后的大臂的空余位置, 同步带工作时无滑动现象, 可以进行准确的传动比传动, 保证了关节运动的精确性.
图 5为变刚度部分的三维结构图, 表示出了关键变刚度部分各个零部件的结构形状, 以及各个零件之间的位置.其中各零件之间的相对运动, 可以实现关节的刚度变化和关节弯曲角度的变化.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 关节变刚度部分结构三维图Fig.5 Three dimensional structure of joint variable stiffness |
4 关键部件的结构分析虽然设计的目标是结构紧凑小巧并符合人体手臂形态, 但是要保证变刚度关节的安全性和稳定性.一个好的安全稳定的变刚度关节结构, 需要在加工应用之前进行优化零件结构及各零件应力应变的分析等步骤.利用有限元分析软件来验证关键部件的机械强度是否满足设计要求.
在变刚度部分中, 支撑滑板有着重要作用, 既要固定弹簧片的位置, 又要当做滑块的导轨, 还要和行星架进行连接, 从而使得支撑滑板的接触面比较多, 受力情况比较复杂, 为了优化滑块和导轨之间的受力情况, 同时考虑到弹簧片采用的是中心轴两侧对称的布置设计, 所以把支撑滑板设计成“H”形结构.为了分析其受力情况和强度要求, 应用SolidWorks simulation软件对其进行应力应变分析.首先利用SolidWorks进行三维建模, 再利用SolidWorks simulation定义其材料为铝合金, 夹具的选择为支撑滑板与行星架的接触面和中心孔的轴向与径向移动, 受力状态为当刚度最大、外力转矩最大时的状态.
图 6为支撑滑板的应力云图, 最大应力为66.1MPa, 材料的屈服应力为185MPa, 由此看出, 最大应力小于材料的屈服强度, 所以结构满足设计的强度要求.同时也对小臂架和大臂架等主要承力部件进行了应力分析, 分析结果显示, 各主要承力部件都满足设计要求.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 支撑滑板的应力云图Fig.6 Stress contour of support plate |
5 样机研制及实验该变刚度关节结构使用两台传统的直流微电机分别驱动行星外齿圈和太阳轮运动, 并且采用了和电机配套的精密行星减速箱, 从而节省关节的空间尺寸, 有利于达到关节结构紧凑、尺寸小的设计要求.
为了降低样机的制作成本, 对整个关节结构进行了简化, 于是关节中一部分零件选用了能够在厂家直接买到的型号以降低成本.这就使得整个关节实体的有些参数会比设计的要大, 如质量、体积等, 图 7为变刚度关节的实体结构和简化后的SolidWorks三维模型的对比图.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 变刚度关节实体和简化后的三维模型的对比图Fig.7 Comparison of the joint body with variable rigidity and the simplified three-dimensional model (a)—实体；(b)—模型. |
表 4列举出一些变刚度关节实体的参数, 给出了连接各个弹簧片类型的刚度变化范围, 在使用时可以根据实际需要选择弹簧片的材料和厚度.
表 4(Table 4)
表 4 变刚度关节实体的技术参数Table 4 Technical parameters of variable stiffness joint entity
| 表 4 变刚度关节实体的技术参数 Table 4 Technical parameters of variable stiffness joint entity |
这里需要指出的是, 由于考虑到运动部件之间可能存在的干涉问题, 在样机的销轴和滑块之间保留了一定的距离S(图 7中的放大图), 导致关节刚度的最大值受到了一定的限制.后续设计中可通过优化结构来减小距离S, 从而可进一步提高关节的最大刚度.
在样机研制过程中由于受到成本方面的限制, 在零部件选用方面牺牲了关节的部分尺寸和质量, 后续将继续优化销轴和支撑滑板之间的结构, 使关节的刚度变化范围增大, 同时依据人体关节的实际参数开展新一代样机的研制并开展相关的动力学控制等方面的工作.
6 结论1) 本文提出了一种新型仿肌肉驱动的变刚度关节结构, 通过样机实验验证了关节结构设计的合理性.
2) 在结构中通过采用“U”型大臂架和小臂架以及“H”型支撑滑板, 有效提高了整个关节的承载能力和稳定性.
3) 与其他同类设计相比, 本文所提出的关节在结构和空间布局等方面更加符合人体手臂的自然形态, 有利于在其基础上构建出新型仿人机器人整机系统.
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