【摘要】：可調(diào)剛度致動器能為機(jī)器人動態(tài)性能和人機(jī)交互安全性帶來顯著提升。在對常見簧片型變結(jié)構(gòu)式剛度調(diào)節(jié)機(jī)理進(jìn)行分析總結(jié)的基礎(chǔ)上設(shè)計一種基于折疊串聯(lián)型平行排布簧片組的新型旋轉(zhuǎn)式可調(diào)剛度致動器,分析其剛度調(diào)節(jié)原理并介紹樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)。針對實際剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中簧片與滑塊滾子的間隙,建立修正的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)剛度解析模型。通過系統(tǒng)試驗證明了模型的準(zhǔn)確性和整體方案的可行性。折疊式串聯(lián)簧片的應(yīng)用使系統(tǒng)在有限的尺寸和足夠的承載能力下獲得了更大的剛度調(diào)節(jié)范圍。簧片的平行排布設(shè)計則實現(xiàn)了多組柔性單元滑塊滾子運(yùn)動的同步及關(guān)節(jié)驅(qū)動與剛度控制的解耦。
【圖文】：

驗驗證了模型的準(zhǔn)確性和方案的可行性。1變結(jié)構(gòu)式調(diào)節(jié)機(jī)理分析與設(shè)計變結(jié)構(gòu)式VSA多以螺旋彈簧[21]或簧片[22]為柔性單元，其中簧片型柔性單元精度更高且更易集成在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中，是當(dāng)前的研究熱點。1.1常見簧片型剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分析剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由簧片與滑塊組成，滑塊可沿簧片長度方向移動且約束了簧片的橫向位移，以此調(diào)節(jié)其有效長度。根據(jù)簧片有效作用區(qū)段的不同，常見的剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要有兩種。(1)負(fù)載作用于簧片自由端，滑塊與負(fù)載作用點之間為簧片的有效作用區(qū)域。根據(jù)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸相對簧片的位置不同，有圖1～3所示三種安裝形式。圖1關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸在簧片固定端(kR1)el為簧片有效作用長度，sl為簧片無效段長度，F(xiàn)為簧片自由端橫向載荷，y為簧片變形后負(fù)載作用點的橫向位移，R為負(fù)載作用點與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的距離。圖2關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸在簧片中間(kR2)圖3關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸在簧片自由端(kR3)簧片的有效作用區(qū)段可以簡化為懸臂梁模型，因此小變形條件下的負(fù)載作用點橫向位移為33ee343FlFlyEIEbh(1)式中，E為簧片材料的彈性模量，I為簧片截面慣性矩，b為簧片寬度，，h為簧片厚度。負(fù)載F所產(chǎn)生的關(guān)節(jié)力矩與簧片變形帶來的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角分別為/TFRyR(2)因此三種安裝形式的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動剛度為321233e/4RRRTFREbhRkkkyRl(3)上述三種安裝形式所導(dǎo)出的關(guān)節(jié)剛度解析公式區(qū)別僅在于不同的關(guān)節(jié)力臂R。后兩種形式可在簧片與關(guān)節(jié)整體尺寸一定的條件下獲得更小的R。(2)負(fù)載作用于滑塊，滑塊與固定端之間為簧片的有效作用區(qū)域。根據(jù)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸相對簧片的位置區(qū)別，同樣有圖4～6所示的三種安裝形式。圖4關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸在簧片固定端(kR4)圖5關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸在簧片中間(kR5)

見簧片型剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分析剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由簧片與滑塊組成，滑塊可沿簧片長度方向移動且約束了簧片的橫向位移，以此調(diào)節(jié)其有效長度。根據(jù)簧片有效作用區(qū)段的不同，常見的剛度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要有兩種。(1)負(fù)載作用于簧片自由端，滑塊與負(fù)載作用點之間為簧片的有效作用區(qū)域。根據(jù)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸相對簧片的位置不同，有圖1～3所示三種安裝形式。圖1關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸在簧片固定端(kR1)el為簧片有效作用長度，sl為簧片無效段長度，F(xiàn)為簧片自由端橫向載荷，y為簧片變形后負(fù)載作用點的橫向位移，R為負(fù)載作用點與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的距離。圖2關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸在簧片中間(kR2)圖3關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸在簧片自由端(kR3)簧片的有效作用區(qū)段可以簡化為懸臂梁模型，因此小變形條件下的負(fù)載作用點橫向位移為33ee343FlFlyEIEbh(1)式中，E為簧片材料的彈性模量，I為簧片截面慣性矩，b為簧片寬度，h為簧片厚度。負(fù)載F所產(chǎn)生的關(guān)節(jié)力矩與簧片變形帶來的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角分別為/TFRyR(2)因此三種安裝形式的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動剛度為321233e/4RRRTFREbhRkkkyRl(3)上述三種安裝形式所導(dǎo)出的關(guān)節(jié)剛度解析公式區(qū)別僅在于不同的關(guān)節(jié)力臂R。后兩種形式可在簧片與關(guān)節(jié)整體尺寸一定的條件下獲得更小的R。(2)負(fù)載作用于滑塊，滑塊與固定端之間為簧片的有效作用區(qū)域。根據(jù)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸相對簧片的位置區(qū)別，同樣有圖4～6所示的三種安裝形式。圖4關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸在簧片固定端(kR4)圖5關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸在簧片中間(kR5)

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