中英文文献翻译-手腕和前臂的机械设计
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2011 IEEE/RSJ 国际会议智能机器人系统2011 年 9 月 25-30 日,旧金山, CA,USA手腕和前臂可旋转的 DLR 手臂系统:机械设计,形状分析及实验验证Werner Friedl, Hannes H6ppner, Florian Petit and Gerd Hirzinger 德国航空航天中心(DLR) ,海燕,德国机器人与机电一体化研究所邮箱:Werner.Friedl.Hannes.Hoeppner.Florian.Petitdlr.de摘要DLR 手臂系统是基于变刚度的概念,这个进来提出的概念大大地提高现代影响的鲁棒性和能源效率机器人。本文还引入了工作在双向拮抗变刚度(BAVS)合资的概念,就是拮抗关节的延伸。这三种机械的设置利用不同的弹簧和凸轮盘组合,对实现预期的转矩刚度特性进行了分析。双 BAVS 的接入可以作为 DLR 手臂系统中手腕和前臂旋转的联合解决方案。此外,在实验部分对偏转扭矩余的校准和驱动进行了验证。I. 简介近来的研究的发展引导了可变抗挠性关节机器人技术。据报道 DLR 已经开发出了生物机动可变刚度机器人手臂称手臂系统(HASy) 。机械手含有 26 个自由度,其中 19 自由度安装在手部,另外 7 个自由度整合在前上臂上的所有电子设备。在几个变刚度制动器(VSA)调整位置和刚度的同时,不同研究者要进行相应的分析。使用变刚度制动器拥有几个好处,例如内在的依从性使在关节处来存储机械能提供了可能,类似于人类。弹性元素的低通滤波特性对鲁棒性原因息息相关。此外,能量存储性质可以适用于高度动态的动作,比如扔球或在散步。在机器人安全背景下,被动遵守也进行了讨论。 虽然 VSA 的想法类似于提到的所有的联合原型,但是较大变化的机械执行性和对不同 VS 接头评价是正在进行研究的议题。也因此多个不同的 VS 关节已经应用在的 DLR 手臂系统。对于 19 自由度拮抗原则,也类似人类的手的弹性肌腱。该手臂关节 1-4,即肘和肩关节,实施浮动弹簧接头(FSJ) 。一个叫做双向拮抗变量刚度(BAV S)原则的概念已被同时用于前臂和腕关节。本文的目的是引进双向拮抗变量刚度关节在 HASy。本文以以下方法叙述,我们首先评估双向拮抗变量刚度的要求和托架设计,BAYS 与上文中提到的 DLR 手臂系统 YSA 原则相比。接下来,我们分析预期转矩刚度凸轮盘机构的结果,它主要影响 VS 性能的联合。我们将集中在不同凸轮盘的组合和线性弹簧,线性弹簧由机械前臂和两个腕关节设计主导。最后,我们将与第一次测量双向拮抗变量刚度关节刚度的结果比较, ,并显示自动适应性的结果。图 1.DLR 手臂系统II.BAVS 联合DLR 手臂系统包含多种不同联合类型。BAVS 联合的原则是用于执行的手腕和前臂关节的执行。这种选择所提出的要求如下。A.要求:由于腕关节和前臂旋转接头的位置,与其他 HASy 关节比较,要求是不同的: 手腕:为了实现与人类的大小相同的不能放在重合位置的手腕腕关节执行器关节轴,只能放置在前臂靠近肘部。因此,电机的转矩要被转移到手腕的前臂,类似于在手指肌腱实现权力交接关节。 手腕:此外,机械动力的传输必须尽量彻底,以实现致动器直接耦合到手腕。手指的运动能一定程度耦合到手腕上,这是很重要的。因而灵活的肌腱不能使用。 前臂:前臂旋转接头的主要挑战是由电缆提供的电源,水冷管,以及通信总线电缆传输到前臂的传输,同时允许旋转范围1800 另外,电源的前臂和两个腕关节的尺寸比进行优化,因为在有限的空间中含有前臂的42个致动器。 与肩部和肘部关节相比,手腕和前臂只需要较小的惯性和重量来支持要求较低 的扭矩能力。其他 VSA 接头则必须完成更多的要求,以满足低摩擦和低转动惯量的机械设计,以实现高的动态能力。BAVS 联合概念使用更加适合这些要求。以下将阐述这种选择各种的细节。B. BAVS 原则:图 2.使用肌腱的对抗性和 BEVS 传动原理设计细节之前,已经给出主要性能的 BAVS 原则。在图 2 中,标准的拮抗原理和BAVS 原则的进行了比较。刚度和位置的改变的方式是相同的:共同运作弹簧引起了刚度的变化,同时同步运动电机用来在结合处产生扭矩。而本质的区别是,两个电机的 BAVS联合具有推拉联合的功效。因此,关节的最大转矩等于两个电机的转矩的总和。(1)其中, 1 和 T2 是由两个电机提供的转矩。失速扭矩 Tstall 的是一台电机的最大扭矩。这种 BAVS 原则上使用电动机的支持方式称为帮助模式。总链路刚度 k 等于的刚度K1(T 1)和 k1(T 2)每个马达的弹簧单元的总和。)(21k ii)(0(2)图 4 显示了 BAVS 联合设置一个弹簧和两个对称凸轮盘,以及两个特征模式。在图 4 b)该接头是在帮助模式下,这两个凸轮盘在相同的方向上提供了一个扭矩。在正常模式下,与所提供的凸轮盘的相对转矩如图 4C)所示。图 3.图 4FSJ(如一个大的马达的小型电动机的位置和关节的刚度改变)和拮抗原则相比,双向对立导致高功率尺寸比,因为它主要所需的前臂和两个腕关节。C.机构的建立对高刚度手腕的要求,为了避免手腕运动的无故损坏,不采用肌腱基于 VSA 机制。相反,谐波传动齿轮三部分的设置控制同步电机弹性元件和驱动侧的接头,见图 3。联合运作以下列方式进行,参照图 3。波发生器连接到电机。正齿轮和柔性花键链接以输出。所有圆形花键都连接到非线性弹性元件。移动两个在相同的方向上的马达使链接(正轮)的位置的变化。如果移动相反方向的无连杆运动的电机,柔性花键会被连杆互相阻挡。在圆形花键施加的扭矩,可以使非线性弹性元件张紧。通过阻断电机,任何外部的运动链接将加载弹簧元件。因此,一个自然的扭力 - 角度关系与非线性增加转矩是可以实现的。刚度的非线性元件是通过非线性凸轮盘制动一个或多个线性弹簧。凸轮盘的形状也可以影响扭矩刚度曲线的联合。在帮助模式下,转矩刚度曲线的影响的变化分析。III.BAVS 形状分析第 II-C 提供建议的机械安装主要有两种设计参数。首先,线性弹簧的数量(一个或两个)和第二凸轮盘的形状(对称或不对称) 。在以下三种不同的设置进行了分析。最简单的设置是只使用一个线性弹簧的单个弹簧解决方案,如图 5a)所示。双弹簧解决方案使用了两个而不是仅一个弹簧,但在相同的设置有两个凸轮盘,见图 5 B) 。第三个分析的设置,和包含两个弹簧和四个凸轮盘,如图所示。 5 c)图 5所有的接头都要满足最大扭矩为 8 Nm,相当于两个失速转矩马达(Tmax = 2 Tstall = 8Nm) ,偏转角为 15。线性弹簧的刚度采用 22.1 kN / m。A.单弹簧方案最简单的可能的解决方案是一个弹簧和两个对称的凸轮盘(参见图 5)的组合,并需要最少的建造空间。由两个对称的凸轮盘的联合施加的扭矩可由下列公式算出)()(c21cff(3)r关节的偏转角, 是凸轮盘的预紧角,c 是回弹力,r 是凸轮盘上杠杆比边缘到凸轮盘中心的距离, , 和 , 是凸轮盘和弹簧偏转的偏转角和它们的衍生物之间的关系的1f21f2c数学函数描述。关节的刚度是扭矩相对于偏转 的导数。1)对称凸轮盘:对于对称的外形设计刚度,围绕零偏转= 0为低电平时,当凸轮辊半径限制了凸轮盘的形状。这是因为以保证正确的凸轮滚子的滚动,曲率凸轮盘的凸轮半径小于滚筒。因此,对于一个对称的凸轮盘形状的约束 是必要的,以避0)(ccff免间断。图 6一个弹簧解决方案也有缺点,预拉伸的关节的扭矩变化范围是有限的,因为只有两个凸轮盘几乎完全偏转,才可以产生最大的弹簧力。在正常的拮抗模式下,最好的结果只有约四分之一的最大扭矩,图 6 顶部说明了这一点,其中的扭矩刚度关系为单个弹簧对称的外形设计的解决方案做出了描绘。图中的虚线示出了预拉伸为 a =50,它使约四分之一可达到的最大扭矩。此外,该图表可作如下解释:在曲线之间的步长大小等于 10 预紧max递增。此外,其中一个电动机的 Tstall 曲线已用粗体打印在图中,因为这条曲线相当于正常和帮助对抗模式之间的边界。最低的曲线相当于非预紧机制( ) 。最高的曲stal2max线对应为 =90的预拉伸。此结果也可以通过转矩刚度曲线的最大的刚度变化得到验证。在此,用指数特性.0,)(lned)(4)e 和 d 都是正常数,如果对称凸轮光盘设计假定( 和m/1Nra/ 321ccff) , (3)式就可转变为2ccffcfr4(5)解决这个微分方程,将引入凸轮盘形状与 .所以一个弹簧和两个对称凸0)(cf轮盘的结合,以实现所需的特性的不足。2)非对称轮盘:另一种可能的单弹簧的解决方案是两个不对称的凸轮盘结合,非对称的圆盘意味着 并不取决于 ,见图 5。为了实现一个使用分段函数的非对称形状cf0的设计,从中心的偏移如下所述。不对称圆盘形凸轮盘的一个例子是(6)其中 RI 和 R2 是不同的半径。图 6 的底部,描绘了一个分段的非对称外形设计的扭矩刚度。最大 50的预张力的扭矩比最大对称形状扭矩几乎大 25%。B.双弹簧方案由于一个弹簧解决方案的局限性,使用两个弹簧与两个不对称的凸轮相结合将之代替。然而,如图 5 所示的设置需要多一点的空间。关节扭矩以下列公式计算crffff cccc )()()()( 2211 (7)与不对称的外形设计和支撑的单弹簧解决方案相比,可以产生两倍的转矩(几乎是一半) ,相当于 50的预拉伸。因为这两个凸轮盘设计了完全偏转的弹簧,弹簧的最大弹max簧力总是可以被充分利用。对于单个弹簧的解决方案,在 50的预拉伸弹簧只能使最大挠度的一半偏转。因此,这一机构的力矩刚性的带宽增加。C.两个弹簧和四个凸轮盘的方案最后一个分析的设置包含四个形状不对称的凸轮盘和有两个弹簧的结合,见图 5。不对称的凸轮盘允许一个非零的刚度,即使在零偏转。单独的凸轮盘安装在两个圆形谐波驱动齿轮的花键上。每个凸轮盘之间传输一个弹簧力。所要求的转矩曲线,必须分为四个相同的镜像曲线。通过凸轮盘上两个弹簧的预张紧,产生了一定的扭矩。21cffcc)()(2r1cffcc)()(432rffcc)()(43图 7图 8 示出所得的指数扭矩刚性的关系,通过以下方式获得(4)和(5) 。这种方法给出了的扭矩刚度外形设计最大的灵活性。图 8与图 6 中的非对称的圆形形状相比,如果预张紧凸轮盘,刚度减小更快。扭矩刚度特性也由任务而定。因此在这一点上,不能给一个通用的答案。IV.设计A.前臂旋转设计达到一个最佳的封装密度的效果,前臂旋转使用了锥齿轮系统,而不是使用一个直齿圆柱齿轮系统(图 9) 。出于同样的原因,弹簧被放置与电机的旋转轴平行。装有冷却水且用于控制电机的手的和完整的前臂的电缆,通过一个内孔的锥齿轮,与旋转轴线平行。三个电位器是用来测量两个凸轮盘的位置和连杆图 9。B.手腕设计对于手腕的输出,为了使相应的电机尽可能放置在靠近的基站点的前臂的地方,可引导的正机架的取代了斜轮。此外,该线性弹簧放置在垂直于电机的旋转轴。这就使前臂内部有一个紧凑的设计。图 10 示出了横截面的在手腕 BAVS 驱动。V.测量和实验A.扭矩刚度形状校准基于 VS 联合的高精密的扭矩,需要扭矩挠度曲线的非线性的精确的校准。我们测量了手腕和前臂 BAVS 的转矩偏转曲线,使用一个安装了额外的杠杆臂的测力计,来对平动旋转的前臂进行测量。对于手腕扭矩挠度曲线的测量,测力计是直接连接到驱动手腕。手腕上的制动,是由一个对称的圆凸轮盘的形状来实现的。理想曲线和所获得的测量值示于图 11 中。只要连接杆的刚度和测力计安装有瑕疵,又会有微小的偏差。图 10图 11.前臂旋转扭矩 - 位移曲线示于图 12 中。再次使用对称的圆,最大扭矩的减少是清晰可见的。与在图 11 中的手腕上测量相比,由于制造公差较大的滞后需要追踪,将来的联合方案将会减少这一点。图 12B.全自动刚度适应、如果接头处于对立的模式,最大的关节力矩是电机停转转矩 的一半。对于某些stal应用中,通过使用帮助模式达到更高的扭矩是必要的。在图 12 中,关于正常与帮助模式的切换,已经给出了算法。采用的方法是减少的凸轮盘的预张力,当电动机的转矩太高。该方法可以实现实时模式的改变。关节内的阻尼是必要的。对于预拉伸的最大转矩的计算方法,如果超出,则预张力会降低测量扭矩与最大扭矩的线性差。实验在安装了杠杆臂的旋转前臂进行。外部扭矩手动生成。在图 13 中是无刚度自动适应下力矩和刚度的绘制。如果达到第一电机的停转转矩,电机将被复原。在图 14 激活了刚度自动适应。如果凸轮盘扭矩达到 2.4 Nm,第二个凸轮盘预紧就会减少。C.冗余驱动一个电机故障没有进一步分析的 BAYS 联合的性质是电机的冗余,它增加了系统的鲁棒性。电机的对称设置,实现了独立的运动及以叠加的方式生成的刚性的接缝。考虑只有一台电机的运作的情况下,由于第二电动机的故障,关节的刚度不能被改变,但仍然可以设置关节位置。双向的方法可以驱动有故障的电机复原。这是一个很大的优势,对于自主工作机器人来说,因为一台电机的故障不会停止机器人的基本功能。图 13余下的最大可达的链路转矩依赖于运行的电动机的停转转矩减去失效电机驱动齿轮所需的转矩。通过转矩的计算计算补偿的电机的位置。图 15 示出了 BAYS 联合在位置控制与电机闭合的关系的曲线图。前面供给的计算出的位置可以使凸轮盘的偏转完成反向驱动动作。(8) backdrivedesrivq(9))(1crnbackriq反向驱动扭矩随着链路速度增加而增加。反向驱动将会记录在额外的测试,同时测量齿轮的效率。图 14图 15VI.结论与今后的工作本文提出了,实现使用的谐波传动机制双向拮抗关节 DLR 手臂系统。具有不同的弹簧和凸轮盘的设置的三个主要的设计概念已被评估,并优化在一定转矩能力和刚度的范围内,尤其是在帮助模式。还展示了手腕和前臂旋转关节 DLR 的手臂系统的机械设计。 ,以及上文关于连接测量的校准和两个实验。首先,自动僵硬适应方案的实施提供最大扭矩。 其次,对电机有障碍的情况下进行了评估。在今后的工作中,非对称形状的设计的增加带宽的刚度扭矩曲线将会实施和评估。此外,如果链接转矩由两个马达的共享,也对系统的能量消耗在不同的状态下记性评估。此次结果达到了预期的 DLR 手臂系统任务的执行,还提供了扭矩刚度外形设计有价值的研究成果。VII 致谢这部分工作由欧洲委员会第六框架计划资助,作为 STIFF 项目之一,编号 231576,也作为VIACTORS 项目的之一,编号 231554。2011 IEEE/RSJ 国际会议智能机器人系统2011 年 9 月 25-30 日,旧金山, CA,USA手腕和前臂可旋转的 DLR 手臂系统:机械设计,形状分析及实验验证Werner Friedl, Hannes H6ppner, Florian Petit and Gerd Hirzinger 德国航空航天中心(DLR) ,海燕,德国机器人与机电一体化研究所邮箱:Werner.Friedl.Hannes.Hoeppner.Florian.Petitdlr.de摘要DLR 手臂系统是基于变刚度的概念,这个进来提出的概念大大地提高现代影响的鲁棒性和能源效率机器人。本文还引入了工作在双向拮抗变刚度(BAVS)合资的概念,就是拮抗关节的延伸。这三种机械的设置利用不同的弹簧和凸轮盘组合,对实现预期的转矩刚度特性进行了分析。双 BAVS 的接入可以作为 DLR 手臂系统中手腕和前臂旋转的联合解决方案。此外,在实验部分对偏转扭矩余的校准和驱动进行了验证。I. 简介近来的研究的发展引导了可变抗挠性关节机器人技术。据报道 DLR 已经开发出了生物机动可变刚度机器人手臂称手臂系统(HASy) 。机械手含有 26 个自由度,其中 19 自由度安装在手部,另外 7 个自由度整合在前上臂上的所有电子设备。在几个变刚度制动器(VSA)调整位置和刚度的同时,不同研究者要进行相应的分析。使用变刚度制动器拥有几个好处,例如内在的依从性使在关节处来存储机械能提供了可能,类似于人类。弹性元素的低通滤波特性对鲁棒性原因息息相关。此外,能量存储性质可以适用于高度动态的动作,比如扔球或在散步。在机器人安全背景下,被动遵守也进行了讨论。 虽然 VSA 的想法类似于提到的所有的联合原型,但是较大变化的机械执行性和对不同 VS 接头评价是正在进行研究的议题。也因此多个不同的 VS 关节已经应用在的 DLR 手臂系统。对于 19 自由度拮抗原则,也类似人类的手的弹性肌腱。该手臂关节 1-4,即肘和肩关节,实施浮动弹簧接头(FSJ) 。一个叫做双向拮抗变量刚度(BAV S)原则的概念已被同时用于前臂和腕关节。本文的目的是引进双向拮抗变量刚度关节在 HASy。本文以以下方法叙述,我们首先评估双向拮抗变量刚度的要求和托架设计,BAYS 与上文中提到的 DLR 手臂系统 YSA 原则相比。接下来,我们分析预期转矩刚度凸轮盘机构的结果,它主要影响 VS 性能的联合。我们将集中在不同凸轮盘的组合和线性弹簧,线性弹簧由机械前臂和两个腕关节设计主导。最后,我们将与第一次测量双向拮抗变量刚度关节刚度的结果比较, ,并显示自动适应性的结果。图 1.DLR 手臂系统II.BAVS 联合DLR 手臂系统包含多种不同联合类型。BAVS 联合的原则是用于执行的手腕和前臂关节的执行。这种选择所提出的要求如下。A.要求:由于腕关节和前臂旋转接头的位置,与其他 HASy 关节比较,要求是不同的: 手腕:为了实现与人类的大小相同的不能放在重合位置的手腕腕关节执行器关节轴,只能放置在前臂靠近肘部。因此,电机的转矩要被转移到手腕的前臂,类似于在手指肌腱实现权力交接关节。 手腕:此外,机械动力的传输必须尽量彻底,以实现致动器直接耦合到手腕。手指的运动能一定程度耦合到手腕上,这是很重要的。因而灵活的肌腱不能使用。 前臂:前臂旋转接头的主要挑战是由电缆提供的电源,水冷管,以及通信总线电缆传输到前臂的传输,同时允许旋转范围1800 另外,电源的前臂和两个腕关节的尺寸比进行优化,因为在有限的空间中含有前臂的42个致动器。 与肩部和肘部关节相比,手腕和前臂只需要较小的惯性和重量来支持要求较低 的扭矩能力。其他 VSA 接头则必须完成更多的要求,以满足低摩擦和低转动惯量的机械设计,以实现高的动态能力。BAVS 联合概念使用更加适合这些要求。以下将阐述这种选择各种的细节。B. BAVS 原则:图 2.使用肌腱的对抗性和 BEVS 传动原理设计细节之前,已经给出主要性能的 BAVS 原则。在图 2 中,标准的拮抗原理和BAVS 原则的进行了比较。刚度和位置的改变的方式是相同的:共同运作弹簧引起了刚度的变化,同时同步运动电机用来在结合处产生扭矩。而本质的区别是,两个电机的 BAVS联合具有推拉联合的功效。因此,关节的最大转矩等于两个电机的转矩的总和。(1)其中, 1 和 T2 是由两个电机提供的转矩。失速扭矩 Tstall 的是一台电机的最大扭矩。这种 BAVS 原则上使用电动机的支持方式称为帮助模式。总链路刚度 k 等于的刚度K1(T 1)和 k1(T 2)每个马达的弹簧单元的总和。)(21k ii)(0(2)图 4 显示了 BAVS 联合设置一个弹簧和两个对称凸轮盘,以及两个特征模式。在图 4 b)该接头是在帮助模式下,这两个凸轮盘在相同的方向上提供了一个扭矩。在正常模式下,与所提供的凸轮盘的相对转矩如图 4C)所示。图 3.图 4FSJ(如一个大的马达的小型电动机的位置和关节的刚度改变)和拮抗原则相比,双向对立导致高功率尺寸比,因为它主要所需的前臂和两个腕关节。C.机构的建立对高刚度手腕的要求,为了避免手腕运动的无故损坏,不采用肌腱基于 VSA 机制。相反,谐波传动齿轮三部分的设置控制同步电机弹性元件和驱动侧的接头,见图 3。联合运作以下列方式进行,参照图 3。波发生器连接到电机。正齿轮和柔性花键链接以输出。所有圆形花键都连接到非线性弹性元件。移动两个在相同的方向上的马达使链接(正轮)的位置的变化。如果移动相反方向的无连杆运动的电机,柔性花键会被连杆互相阻挡。在圆形花键施加的扭矩,可以使非线性弹性元件张紧。通过阻断电机,任何外部的运动链接将加载弹簧元件。因此,一个自然的扭力 - 角度关系与非线性增加转矩是可以实现的。刚度的非线性元件是通过非线性凸轮盘制动一个或多个线性弹簧。凸轮盘的形状也可以影响扭矩刚度曲线的联合。在帮助模式下,转矩刚度曲线的影响的变化分析。III.BAVS 形状分析第 II-C 提供建议的机械安装主要有两种设计参数。首先,线性弹簧的数量(一个或两个)和第二凸轮盘的形状(对称或不对称) 。在以下三种不同的设置进行了分析。最简单的设置是只使用一个线性弹簧的单个弹簧解决方案,如图 5a)所示。双弹簧解决方案使用了两个而不是仅一个弹簧,但在相同的设置有两个凸轮盘,见图 5 B) 。第三个分析的设置,和包含两个弹簧和四个凸轮盘,如图所示。 5 c)图 5所有的接头都要满足最大扭矩为 8 Nm,相当于两个失速转矩马达(Tmax = 2 Tstall = 8Nm) ,偏转角为 15。线性弹簧的刚度采用 22.1 kN / m。A.单弹簧方案最简单的可能的解决方案是一个弹簧和两个对称的凸轮盘(参见图 5)的组合,并需要最少的建造空间。由两个对称的凸轮盘的联合施加的扭矩可由下列公式算出)()(c21cff(3)r关节的偏转角, 是凸轮盘的预紧角,c 是回弹力,r 是凸轮盘上杠杆比边缘到凸轮盘中心的距离, , 和 , 是凸轮盘和弹簧偏转的偏转角和它们的衍生物之间的关系的1f21f2c数学函数描述。关节的刚度是扭矩相对于偏转 的导数。1)对称凸轮盘:对于对称的外形设计刚度,围绕零偏转= 0为低电平时,当凸轮辊半径限制了凸轮盘的形状。这是因为以保证正确的凸轮滚子的滚动,曲率凸轮盘的凸轮半径小于滚筒。因此,对于一个对称的凸轮盘形状的约束 是必要的,以避0)(ccff免间断。图 6一个弹簧解决方案也有缺点,预拉伸的关节的扭矩变化范围是有限的,因为只有两个凸轮盘几乎完全偏转,才可以产生最大的弹簧力。在正常的拮抗模式下,最好的结果只有约四分之一的最大扭矩,图 6 顶部说明了这一点,其中的扭矩刚度关系为单个弹簧对称的外形设计的解决方案做出了描绘。图中的虚线示出了预拉伸为 a =50,它使约四分之一可达到的最大扭矩。此外,该图表可作如下解释:在曲线之间的步长大小等于 10 预紧max递增。此外,其中一个电动机的 Tstall 曲线已用粗体打印在图中,因为这条曲线相当于正常和帮助对抗模式之间的边界。最低的曲线相当于非预紧机制( ) 。最高的曲stal2max线对应为 =90的预拉伸。此结果也可以通过转矩刚度曲线的最大的刚度变化得到验证。在此,用指数特性.0,)(lned)(4)e 和 d 都是正常数,如果对称凸轮光盘设计假定( 和m/1Nra/ 321ccff) , (3)式就可转变为2ccffcfr4(5)解决这个微分方程,将引入凸轮盘形状与 .所以一个弹簧和两个对称凸0)(cf轮盘的结合,以实现所需的特性的不足。2)非对称轮盘:另一种可能的单弹簧的解决方案是两个不对称的凸轮盘结合,非对称的圆盘意味着 并不取决于 ,见图 5。为了实现一个使用分段函数的非对称形状cf0的设计,从中心的偏移如下所述。不对称圆盘形凸轮盘的一个例子是(6)其中 RI 和 R2 是不同的半径。图 6 的底部,描绘了一个分段的非对称外形设计的扭矩刚度。最大 50的预张力的扭矩比最大对称形状扭矩几乎大 25%。B.双弹簧方案由于一个弹簧解决方案的局限性,使用两个弹簧与两个不对称的凸轮相结合将之代替。然而,如图 5 所示的设置需要多一点的空间。关节扭矩以下列公式计算crffff cccc )()()()( 2211 (7)与不对称的外形设计和支撑的单弹簧解决方案相比,可以产生两倍的转矩(几乎是一半) ,相当于 50的预拉伸。因为这两个凸轮盘设计了完全偏转的弹簧,弹簧的最大弹max簧力总是可以被充分利用。对于单个弹簧的解决方案,在 50的预拉伸弹簧只能使最大挠度的一半偏转。因此,这一机构的力矩刚性的带宽增加。C.两个弹簧和四个凸轮盘的方案最后一个分析的设置包含四个形状不对称的凸轮盘和有两个弹簧的结合,见图 5。不对称的凸轮盘允许一个非零的刚度,即使在零偏转。单独的凸轮盘安装在两个圆形谐波驱动齿轮的花键上。每个凸轮盘之间传输一个弹簧力。所要求的转矩曲线,必须分为四个相同的镜像曲线。通过凸轮盘上两个弹簧的预张紧,产生了一定的扭矩。21cffcc)()(2r1cffcc)()(432rffcc)()(43图 7图 8 示出所得的指数扭矩刚性的关系,通过以下方式获得(4)和(5) 。这种方法给出了的扭矩刚度外形设计最大的灵活性。图 8与图 6 中的非对称的圆形形状相比,如果预张紧凸轮盘,刚度减小更快。扭矩刚度特性也由任务而定。因此在这一点上,不能给一个通用的答案。IV.设计A.前臂旋转设计达到一个最佳的封装密度的效果,前臂旋转使用了锥齿轮系统,而不是使用一个直齿圆柱齿轮系统(图 9) 。出于同样的原因,弹簧被放置与电机的旋转轴平行。装有冷却水且用于控制电机的手的和完整的前臂的电缆,通过一个内孔的锥齿轮,与旋转轴线平行。三个电位器是用来测量两个凸轮盘的位置和连杆图 9。B.手腕设计对于手腕的输出,为了使相应的电机尽可能放置在靠近的基站点的前臂的地方,可引导的正机架的取代了斜轮。此外,该线性弹簧放置在垂直于电机的旋转轴。这就使前臂内部有一个紧凑的设计。图 10 示出了横截面的在手腕 BAVS 驱动。V.测量和实验A.扭矩刚度形状校准基于 VS 联合的高精密的扭矩,需要扭矩挠度曲线的非线性的精确的校准。我们测量了手腕和前臂 BAVS 的转矩偏转曲线,使用一个安装了额外的杠杆臂的测力计,来对平动旋转的前臂进行测量。对于手腕扭矩挠度曲线的测量,测力计是直接连接到驱动手腕。手腕上的制动,是由一个对称的圆凸轮盘的形状来实现的。理想曲线和所获得的测量值示于图 11 中。只要连接杆的刚度和测力计安装有瑕疵,又会有微小的偏差。图 10图 11.前臂旋转扭矩 - 位移曲线示于图 12 中。再次使用对称的圆,最大扭矩的减少是清晰可见的。与在图 11 中的手腕上测量相比,由于制造公差较大的滞后需要追踪,将来的联合方案将会减少这一点。图 12B.全自动刚度适应、如果接头处于对立的模式,最大的关节力矩是电机停转转矩 的一半。对于某些stal应用中,通过使用帮助模式达到更高的扭矩是必要的。在图 12 中,关于正常与帮助模式的切换,已经给出了算法。采用的方法是减少的凸轮盘的预张力,当电动机的转矩太高。该方法可以实现实时模式的改变。关节内的阻尼是必要的。对于预拉伸的最大转矩的计算方法,如果超出,则预张力会降低测量扭矩与最大扭矩的线性差。实验在安装了杠杆臂的旋转前臂进行。外部扭矩手动生成。在图 13 中是无刚度自动适应下力矩和刚度的绘制。如果达到第一电机的停转转矩,电机将被复原。在图 14 激活了刚度自动适应。如果凸轮盘扭矩达到 2.4 Nm,第二个凸轮盘预紧就会减少。C.冗余驱动一个电机故障没有进一步分析的 BAYS 联合的性质是电机的冗余,它增加了系统的鲁棒性。电机的对称设置,实现了独立的运动及以叠加的方式生成的刚性的接缝。考虑只有一台电机的运作的情况下,由于第二电动机的故障,关节的刚度不能被改变,但仍然可以设置关节位置。双向的方法可以驱动有故障的电机复原。这是一个很大的优势,对于自主工作机器人来说,因为一台电机的故障不会停止机器人的基本功能。图 13余下的最大可达的链路转矩依赖于运行的电动机的停转转矩减去失效电机驱动齿轮所需的转矩。通过转矩的计算计算补偿的电机的位置。图 15 示出了 BAYS 联合在位置控制与电机闭合的关系的曲线图。前面供给的计算出的位置可以使凸轮盘的偏转完成反向驱动动作。(8) backdrivedesrivq(9))(1crnbackriq反向驱动扭矩随着链路速度增加而增加。反向驱动将会记录在额外的测试,同时测量齿轮的效率。图 14图 15VI.结论与今后的工作本文提出了,实现使用的谐波传动机制双向拮抗关节 DLR 手臂系统。具有不同的弹簧和凸轮盘的设置的三个主要的设计概念已被评估,并优化在一定转矩能力和刚度的范围内,尤其是在帮助模式。还展示了手腕和前臂旋转关节 DLR 的手臂系统的机械设计。 ,以及上文关于连接测量的校准和两个实验。首先,自动僵硬适应方案的实施提供最大扭矩。 其次,对电机有障碍的情况下进行了评估。在今后的工作中,非对称形状的设计的增加带宽的刚度扭矩曲线将会实施和评估。此外,如果链接转矩由两个马达的共享,也对系统的能量消耗在不同的状态下记性评估。此次结果达到了预期的 DLR 手臂系统任务的执行,还提供了扭矩刚度外形设计有价值的研究成果。VII 致谢这部分工作由欧洲委员会第六框架计划资助,作为 STIFF 项目之一,编号 231576,也作为VIACTORS 项目的之一,编号 231554。
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