第11期 2017年11月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)11=004404
DOI:10. 13462/j. cnki. mmtamt. 2017. 11.012
柔性机械臂变刚度关节的设计与仿真研究
孙军，彭斯宁！，王春华2
No.11 Nov.2017
（1.沈阳建筑大学机械工程学院，沈阳110168；2.沈阳特种设备检测研究院，沈阳110036）
摘要：机器人广泛用于人们的生产生活中，机器人与人的接触也越来越频繁，人机交互的安全问题已经引起人们的重视。文章提出一种柔性变刚度机械臂关节，阐述变刚度关节的机械结构并对关节的变刚度原理进行分析，考虑电机阻尼和传动系统的等效转动惯量等影响，建立一种较为完善的关节动力学模型，分析系统的动态特性：最后基于Adams进行仿具碰撞试验，试验结果验证关节其有缓冲
碰撞的特性，所设计的变刚度关节有利于保证人机交互的安全性。关键词：变刚度关节；机械臂；动力学模型；硅撞仿真
中图分类号：TH111;TG659
文献标识码：A
Designand Simulation of VariableStiffnessJoint of FlexibleManipulator
SUN Jun',PENG Si-ning',WANG Chun-hua
(1. College of Mechanical Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168 , China;2. Shenyang Special Equipment Inspection and Research Institute, Shenyang 110036, China)
Abstract:Robots are widely used in peoples production and life, and the contact between robots and human is more and more frequent.The security of human-computer interaction has attracted more attention.A vari-able stiffness joint of flexible Manipulator is proposed in this paper, the mechanical structure of variable stiffness joint is expounded, and the principle of variable stiffness joint is analyzed. Considering the influ-ence of the damping of motor and the equivalent moment of inertia of the transmission system,a more per-fect dynamics model of the joint is established, and the dynamic characteristics of the system are analyzed Finally, based on Adams the collision test is simulated, the results show that the joint has the characteristics of buffering collision, and the designed variable stiffness joint can ensure the safety of human-computer in-teraction
Key words: variable stiffness joint; manipulator; dynamic model; collision simulation
引言 0
随着机器人行业的不断发展，机器人已经悄然改变了人们的生活。现在，很多的机器人不在生产车间按照固定程序做着重复的工作，而是进人社区，进入商场，做一些服务性质的工作，使得人们在生活的各个方面都不同程度的存在与机器人的交互，随之产生的就是机器人如何与人安全共处及更好的适应环境的问题
相比传统的刚性关节，柔性变刚度关节能更好的适
应人机交互的环境，现在所研究的变刚度关节多为仿骨骼肌的关节，即根据人的肌肉抽缩的特点，研制变刚度机械臂关节。德国航空航天中心设计出FSJI和 BAVSI2]为变刚度关节方面比较有代表性的成果。可变刚度关节接照变刚度原理的不同可以把变刚度关节分为以下几类：①平衡位置变刚度，这是一种在传统的刚性驱动器中加人一组刚度恒定的弹簧的方法，平衡位置变刚度原理是基于SEA[3]基础上提出的。其本质是将弹簧与刚性驱动器串联起来，整个关节的刚度由弹簧常
收稿日期：2017-06-14
数决定，通过电机改变其联接刚度，从而动态地改变弹簧的平衡位置来调节整个驱动器的虚拟刚度；②拮抗方式变刚度，拮抗方式是受到人手臂运动的启发，模仿人体手臂关节设计的一种变刚度方法，通过使用两个以拮抗方式工作的驱动器和非线性弹簧，可以实现平衡位置和刚度的调节，弹簧本身是非线性的。例如MIGLIORE 等设计的ACSA[4],类似结构还有VSA[5]，AMASC[6]③ 机构调整变刚度，通过改变弹性环节与刚性结构的连接情况，改变弹性环节的预拉紧或预加载荷，从而调节关节刚度。一般需要用到两个电机，平衡位置和刚度是分别控制的，以MACCEPA[]为代表。
本文设计一种可变刚度的机械臂关节，基于板簧，弹簧的变刚度原理，闸述关节的机械机构组成，建立一种较为完善的关节动力学模型，软件仿真关节在不同刚度的情况下，关节不同的输出特性。
变刚度关节的原理
案性变刚度关节具有实时调节关节刚度的特性
作者简介：孙军(1963一），男，辽宁大连人，沈阳建筑大学教授，博士，研究方向计算机集成制造系统，先进数控理论与技术，（E－mail)sunjun589@
万旁数据通讯作者：彭斯宁（1991—）男，沈阳人，沈阳建筑大学硕士研究生，研究方向为机器人关键技术，（E一mai)602931032@q4