一種快速連接的變剛度關(guān)節(jié)

王云慶，陳 浩，張旭龍

(北京機電工程總體設(shè)計部，北京 100854)

一種快速連接的變剛度關(guān)節(jié)

王云慶，陳 浩，張旭龍

(北京機電工程總體設(shè)計部，北京 100854)

提供了一種可變剛度的快速連接機構(gòu)，它安裝在預(yù)先設(shè)計好的剛性關(guān)節(jié)末端。可變剛度功能實現(xiàn)關(guān)節(jié)之間的柔性連接和控制，快速連接功能提高了部件間的裝配效率。綜合這兩大功能，剛性關(guān)節(jié)改造為可快速連接的變剛度柔性關(guān)節(jié)。為了實現(xiàn)模塊化的生產(chǎn)和使用，對變剛度和快速連接兩大功能進(jìn)行了集成設(shè)計。

關(guān)節(jié)；快速連接；變剛度

0 引言

傳統(tǒng)的工業(yè)制造環(huán)節(jié)中，外部環(huán)境是已知的，機器人的動作依靠精確的位置控制實現(xiàn)，因而工業(yè)機器人各部分之間多采用剛性連接[1]。但是，當(dāng)機器人末端執(zhí)行器與周圍環(huán)境發(fā)生接觸時，再精確的位置控制也會顯得不足。

對于柔性連接，一般是將彈性驅(qū)動器安裝于機器人關(guān)節(jié)處，提供一種具有低輸出的阻尼摩擦，進(jìn)而完成精確的力控制。從20世紀(jì)80年代初起，美國麻省理工學(xué)院的Pratt教授便開始對彈性驅(qū)動器展開研究[2]，后來的研究者們也提出了各種不同的方案，如：Sensinger設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)型無回差機構(gòu)[3]；Sugar設(shè)計了一種并聯(lián)機構(gòu)[4]；Sulzer基于輪繩結(jié)構(gòu)對驅(qū)動器進(jìn)行了設(shè)計[5]；Chew用阻尼環(huán)節(jié)替換彈性環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計[6]。但是，這些研究的基本原理都是一致的，都是在彈性驅(qū)動器的輸出端串聯(lián)上一個可以觀測的彈性裝置。

對于變剛度機構(gòu)，國內(nèi)研究多限于剛性機構(gòu)的柔順控制，而歐盟的VICTORS、SMERobot、PHRIENDS等皆在努力研制下一代能直接與人接觸交往的安全性機器人。如VICTORS項目組提出的FS-Joint、VS-Joint、AWAS、VSA等變剛度的彈性機構(gòu)[7-10]，具有動態(tài)性能很強的可變阻抗系統(tǒng)。本文中的變剛度機構(gòu)是基于已有的機械臂系統(tǒng)實驗平臺，設(shè)計了一種安裝于兩種關(guān)節(jié)模塊末端的可變剛度的快速連接機構(gòu)，使關(guān)節(jié)能夠集成快速連接和可變剛度這兩個功能。

1 快速連接變剛度關(guān)節(jié)方案設(shè)計

如圖1所示，快速連接的變剛度關(guān)節(jié)主要由電機、導(dǎo)軌、電機固定盤、錐子圓盤、彈簧片、快速連接部件a、卡位頂錐、快速連接部件b、對接盤、聯(lián)軸器、絲杠螺桿、螺母座、環(huán)形彈簧、卡位螺母等零件組成。

電機與電機固定盤、螺母座與錐子圓盤、彈簧片與錐子圓盤、快速連接部件a與快速連接部件b之間都是通過螺絲釘固定；設(shè)計的導(dǎo)軌將電機固定盤、錐子圓盤和快速連接部件b串接在一起，導(dǎo)軌通過螺紋固定在快速連接部件a上，卡位螺母將導(dǎo)軌固定在電機固定盤上，錐子圓盤可在導(dǎo)軌上往復(fù)滑動；快速連接部件a和快速連接部件b結(jié)合安裝，將卡位頂錐和環(huán)形彈簧固定在快速連接部件a的圓孔槽中；接盤的設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)對快速連接部件的引導(dǎo)以及對彈簧片插入彈簧片卡槽的引導(dǎo)。

2 機構(gòu)的運動過程

2.1 機構(gòu)快速連接過程

圖2為機構(gòu)的快速連接過程。

如圖2(a)所示，快速連接之前，卡位頂錐完全位于快速連接部件a內(nèi)部，環(huán)形彈簧為無形變自然狀態(tài)。如圖2(b)所示，快速連接過程中，電機驅(qū)使錐子圓盤向遠(yuǎn)離電機固定盤的方向運動，錐子圓盤上的大錐子逐漸將卡位頂錐頂出，頂出距離小于或等于斜引導(dǎo)槽的厚度，此時電機停機，對接盤向上套接在快速連接部件的外側(cè)，卡位頂錐外端的頂出部分經(jīng)斜引導(dǎo)槽引導(dǎo)后在豎引導(dǎo)槽內(nèi)向下運動，當(dāng)卡位頂錐運動到豎引導(dǎo)槽內(nèi)時，彈簧片進(jìn)入對接盤的彈簧片卡槽。如圖2(c)所示，當(dāng)卡位頂錐運動到對接盤上卡位槽的對應(yīng)位置時，啟動電機，錐子圓盤繼續(xù)向下運動，大錐子的圓錐面繼續(xù)將卡位頂錐頂出，直到卡位頂錐的頂出距離大于豎引導(dǎo)槽的厚度，電機停機，完成整個快速連接。

圖2 機構(gòu)的快速連接過程

2.2 機構(gòu)快速分離過程

當(dāng)需要分離兩個部分時，電機反向運動，帶動錐子圓盤向電機固定盤的方向運動，此時卡位頂錐在環(huán)形彈簧的作用下復(fù)位，卡位頂錐逐漸離開卡位槽，此時對接盤和快速連接部件b可以分離，從而解除連接。

2.3 機構(gòu)變剛度過程

電機得到相應(yīng)的信號，驅(qū)動錐子圓盤往復(fù)運動，從而改變彈簧片與彈簧片卡槽的相對位置，達(dá)到變剛度的目的。錐子圓盤往復(fù)運動的過程中需保證卡位頂錐一直位于卡位槽內(nèi)且彈簧片一直位于彈簧片卡槽內(nèi)。3 計算驗證

通過改變彈簧片與彈簧片卡槽的相對位置實現(xiàn)可變剛度功能。由材料力學(xué)公式可得彈簧片撓度w的表達(dá)式為：

(1)

其中：a為彈簧片的寬度；b為彈簧片的厚度；c為彈簧片的初態(tài)可變長度；F為每個彈簧片的受力；E為彈簧片的彈性模量；x為彈簧片相對彈簧片卡槽的移動距離。

彈簧片的轉(zhuǎn)動角度α為：

(2)

其中：d為彈簧片中心繞軸心的旋轉(zhuǎn)半徑。

定義廣義剛度K為：

(3)

其中：M為兩個連接模塊間的扭矩。

將式(2)中的轉(zhuǎn)動角度α代入式(3)得：

(4)

根據(jù)推導(dǎo)出的變剛度公式(4)，設(shè)定11個x取值點，可得剛度值變化曲線，如圖3所示。

4 仿真分析

4.1 應(yīng)力分析

彈簧片是可變剛度關(guān)節(jié)的核心零件，其在與關(guān)節(jié)所連接的兩模塊間發(fā)生相對扭轉(zhuǎn)時會承受應(yīng)力與應(yīng)變。設(shè)計的彈簧片尺寸參數(shù)為：a=20 mm，b=3 mm，變剛度階段最大實際有效長度為20 mm。應(yīng)用SolidWorks Simulation軟件建立彈簧片三維模型材料選擇65彈簧鋼，夾具選擇在彈簧片與圓錐盤的安裝面，載荷選擇278 N，作用點在距離彈簧片安裝面20 mm處。

圖3 剛度變化曲線圖

彈簧片的應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示。最大應(yīng)力為250.234 MPa，而材料的屈服力為620.422 MPa，因此強度滿足設(shè)計要求。

圖4 彈簧片應(yīng)力云圖

彈簧片的應(yīng)變分析結(jié)果如圖5所示。力作用點的撓度在0.515 mm～0.617 mm之間，由于需要保證關(guān)節(jié)模塊相對旋轉(zhuǎn)±5°以內(nèi)，即實際撓度應(yīng)小于設(shè)計的最大撓度，設(shè)計的最大撓度w約為3.925 mm。因此仿真的應(yīng)變結(jié)果滿足設(shè)計要求。

圖5 彈簧片應(yīng)變云圖

4.2 動力學(xué)仿真

將設(shè)計好的三維模型導(dǎo)入ADAMS，設(shè)定相應(yīng)的配置參數(shù)，并添加相應(yīng)的運動副和所需的驅(qū)動，如圖6所示。

運動學(xué)仿真過程中，采用STEP函數(shù)，其使用格式為：STEP(x, x0, h0, x1, h1)。其中x為自變量，x0為自變量的STEP函數(shù)開始值，x1為自變量的STEP函數(shù)結(jié)束值，h0為STEP函數(shù)的初始值，h1為STEP函數(shù)的最終值。在STEP函數(shù)的驅(qū)動下，模型的運動如圖7所示。Step 1為初始姿態(tài)；Step 2為快速連接前將卡位頂錐頂出用于引導(dǎo)；Step 3為變剛度彈簧片與卡槽對準(zhǔn)；Step 4為快速連接過程開始；Step 5為快速連接過程完成；Step 6為剛度調(diào)節(jié)過程。

圖6 添加運動副和驅(qū)動的模型

圖7 模型仿真運動

本文利用SolidWorks Simulation和ADAMS軟件對機構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變和運動學(xué)仿真，驗證了機構(gòu)設(shè)計的正確性與可行性。

5 結(jié)論

變剛度柔性關(guān)節(jié)是目前的研究熱點，我們將快速連接機構(gòu)與變剛度機構(gòu)融合到了同一模塊。在完成機構(gòu)模塊三維模型設(shè)計的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了機構(gòu)變剛度的調(diào)節(jié)規(guī)律，進(jìn)行了材料力學(xué)的計算驗證，并在SolidWorks

Simulation平臺上對關(guān)鍵部件進(jìn)行了應(yīng)力、應(yīng)變仿真，在ADAMS平臺上進(jìn)行了動力學(xué)仿真，驗證了方案的可行性和正確性。

[1] 馬洪文,尹博,王立權(quán),等.雙剛度彈性驅(qū)動器力學(xué)特性頻域分析[J].中國機械工程，20(9)：1078-1082.

[2] Pratt G, Williamson M. Series elastic actuators[C]// IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.[s.l.]：IEEE， 1995:1655-1660.

[3] Sensinger J W， Weir R. Unconstrained impedance control using a compact series elastic actuator[C]// Proceedings of the 2nd IEEE/ASME International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications. [s.l.]：IEEE，2006:1-6.

[4] Ronald Van Ham, Thomas G Sugar, Bram Vanderborght, et al. Compliant actuator designs[C]// IEEE Proc of Int Conf, On Robotics and Automation.[s.l.]：IEEE, 2009:229-238.

[5] Sulzer,James S. An exotendon-driven rotary series elastic actuator for exerting joint torque[C]// Proceedings of the 2005 IEEE 9th International Conference on Rehabilitation Robotics.[s.l.]：IEEE，2005:103-108.

[6] Chew Chee-menq, Honq Geok-soon. Design of series damper actuator[J]. Robotica， 2009,27(3):379-387.

[7] Sebastian Wolf, Oliver Eiberger, Gerd Hirzinger. The DLR FSJ： Energy based design of a variable stiffness joint[C]// IEEE Proc of Int Conf, On Robotics and Automation.[s.l.]：IEEE， 2011:865-875.

[8] Manuel G Catalano, Giorgio Grioli, Manolo Garabio Bonomo, et al. VSA-CubeBot: a modular variable stiffness platform for multiple degrees of freedom robots[C]// IEEE Proc of Int Conf, On Robotics and Automation.[s.l.]：IEEE， 2011:103-108.

[9] Amir Jafari, Nikos G Tsagarakis, Darwin G Caldwell. AwAS-Ⅱ: A new actuator with adjustable stiffness based on the novel principle of adaptable pivot point and variable lever ratio[C]// IEEE Proc of Int Conf, On Robotics and Automation.[s.l.]：IEEE, 2011:462-467.

[10]Michele Mancini, Giorgio Grioli, Manuel G Catalano, et al. Passive impedance control of a multi-DOF VSA-CubeBot manipulator[C]// IEEE Proc of Int Conf, On Robotics and Automation.[s.l.]：IEEE, 2012:382-394.

A New Rapid Connection Joint with Variable Stiffness

WANG Yun-qing, CHEN Hao， ZHANG Xu-long

(Beijing Central Department of Mechanical and Electrical Engineering Design, Beijing 100854, China)

This paper provides a rapid connection mechanism wiht variable stiffness, which is installed at the end of the designed rigid joint. Variable stiffness is used to realize flexible connection and control among joints, and rapid connection is used to increase parts assembly’s efficiency. Combination of these two functions makes the rigid joint become flexible joint. At the same time, the two functions of variable stiffness and rapid connection are integrated together to realize modularized production and use.

joint; rapid connection; variable stiffness

1672- 6413(2015)06- 0091- 03

2015- 03- 23；

2015- 09- 25

王云慶(1990-)，男，四川成都人，助理工程師，碩士，從事機器人機械臂的研究工作。

TP242

A

國家863計劃(2012AA041402)