变刚度关节由于具有高负载/自重比、高的柔顺性、良好的缓冲功能等,使机器人在安全性、环境适应性和能量利用率方面具有突出的表现,近年来成为柔性机器人研究领域的热点。本文从变刚度关节的应用前景出发,设计了一款主动变刚度关节,开展了以下几方面的工作。(1)设计了整个关节的结构。首先,提出了关节的设计指标,阐述了变刚度的力学原理,采用谐波减速器和变刚度机构串联的形式,通过凸轮盘—滚子—弹簧系统实现关节刚度的变化;其次,确定了总体传动方案,依次设计了各个模块的结构,分为核心模块、主电机模块和刚度调节模块;最后,进行了关节传感器的集成设计和限位保护,防止关节由于冲击而超过最大变形角。(2)进行了关节的特性分析及校核优化设计。对初步设计的核心模块进行受力分析,并通过ADAMS仿真验证理论计算的正确性,绘制了几种不同刚度预设值时,关节的扭矩和刚度特性,为关节的控制提供一定的参考。对关键零部件进行静态和动态ANSYS强度校核,优化了关节的部分结构,不管是缓慢运动还是承受较大的冲击,关节都能正常运行,不会轻易地遭到破坏。(3)建立了关节的动力学和控制模型。由于变刚度关节和串联弹性驱动器(SEA)具有一定的相似性,因此,首先归纳总结了串联弹性驱动器的常用动力学模型和常用控制方法;其次,针对目前SEA动力学模型过于简化,逐步深入探讨了建模时需考虑的因素,在此基础上建立了完善的动力学模型并通过Simulink进行动力学性能仿真,结果表明关节具有较大的响应带宽;最后,基于力源控制思想采用PID控制方法建立了关节的控制模型,并推导了系统的开环和闭环传递函数,通过Simulink分析了系统的开环和闭环特性,结果表明PID控制确实能大幅提高关节的力输出性能,不管是跟随期望阶跃信号还是正弦信号,关节的力输出都具有很好地跟随特性,表现出较好的鲁棒性。(4)在不改变任何核心模块结构的基础上,搭建了简易的关节样机,采集了关节的部分数据,并分析了误差的主要来源。结果表明所设计的关节具有一定的变刚度特性,但关节的实际性能并不是很好,核心模块的运行状态不良,有时出现卡住的现象,导致关节的刚度值比较大。