剛度可調(diào)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 

編號題目剛度可調(diào)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)號學(xué)院專業(yè)班級指導(dǎo)教師剛度可調(diào)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人們的生產(chǎn)生活在追求更好質(zhì)量，更低成本，更高效率的同時，對于產(chǎn)品精度和安全性的要求也越來越高，高效率，高自動化，高精度，高可靠性的機(jī)器人技術(shù)成為了至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。現(xiàn)在的機(jī)器人技術(shù)主要采用剛性關(guān)節(jié)，控制精度高的同時，人機(jī)交互存在安全隱患，隨著機(jī)器人環(huán)境友好、安全可靠的發(fā)展趨勢,可變剛度關(guān)節(jié)成為了研究熱點(diǎn)。變剛度關(guān)節(jié)能夠緩沖碰撞,消除機(jī)械震蕩,提高機(jī)器人對人和環(huán)境的安全性。因此，研究出具有類似人類肌肉特性的變剛度（柔性）關(guān)節(jié)對提高機(jī)器人的安全性、環(huán)境適應(yīng)性以及未來更好地為人類服務(wù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在充分了解了國內(nèi)外提出的各種變剛度關(guān)節(jié)設(shè)計模型和工作原理的前提下，本文重點(diǎn)分析了一種國外的叫做AwAS-II的變剛度關(guān)節(jié)。該關(guān)節(jié)是由兩個拮抗放置的扭轉(zhuǎn)彈簧連接到杠桿一端，使關(guān)節(jié)再受到外力時具備一定的柔度，再通過滾珠絲杠驅(qū)動杠桿的支點(diǎn)移動，來改變兩側(cè)力臂的大小，以達(dá)到改變剛度的目的。為此，本文使用solidworks軟件繪制其三維模型，對AwAS-II的結(jié)構(gòu)方案與運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)特性進(jìn)行探索與仿真分析。關(guān)鍵詞：柔性關(guān)節(jié)，剛度可調(diào)，杠桿，運(yùn)動分析，仿真StructuralDesignofJointwithAdjustableStiffnessAbstractWiththecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,ourneedtoproductaccuracyandsafetyrequirementsaregettinghigherandhigher,highefficiency,highautomation,highprecision,Highreliabilityoftherobottechnologyhasbecomeavitallink.Nowadays,therobottechnologyhastheadvantagesofrigidjointsandhighcontrolprecision.Atthesametime,thehuman-computerinteractionhasthehiddendanger.Withthedevelopmenttrendofrobotenvironmentfriendly,safeandreliable,thevariablestiffnessjointbecomestheresearchhotspot.Variablestiffnessjointscancushionthecollision,eliminatemechanicalshocks,improvetherobotonthehumanandenvironmentalsafety.Therefore,itisofgreatpracticalsignificancetodevelopavariablestiffness(flexible)jointwithsimilarhumanmusclepropertiestoimprovethesafety,environmentaladaptabilityandfuturebetterserviceoftherobot.Underthepremiseoffullyunderstandingthevariousvariablestiffnessjointdesignmodelsandworkingprincipleproposedathomeandabroad,thispaperfocusesonakindofforeignvariablejointcalledAwAS-II.Thejointiscomposedoftwoantagonistictorsionspringsconnectedtotheendofthelever,sothatthejointandthenbytheexternalforcewithacertaindegreeofflexibility,andthenthroughtheballscrewdriveleverfulcrummovement,tochangethesizeofbothsidesofthearmtoachievethepurposeofadjustingthestiffness.Tothisend,thispaperusessolidworkssoftwaretodrawitsthree-dimensionalmodel,theAwAS-IIstructureschemeandkinematics,dynamiccharacteristicsofexplorationandsimulationanalysis.KeyWords:flexiblejoint,stiffnessadjustable,lever,motionanalysis,simulation目錄摘要.....................................................................iAbstract..................................................................ii引言.............................................................11.1課題研究的背景及來源................................................11.2課題研究的目的和意義................................................21.3變剛度關(guān)節(jié)的發(fā)展現(xiàn)狀................................................21.3.1變剛度關(guān)節(jié)在國外的研究現(xiàn)狀......................................21.3.2變剛度關(guān)節(jié)在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀......................................51.4課題研究的主要內(nèi)容..................................................61.5本章小結(jié)............................................................7流體驅(qū)動管道機(jī)器人速度波動的機(jī)理分析..............................82.1流體驅(qū)動管道機(jī)器人運(yùn)動原理......................................2.2管道機(jī)器人在管內(nèi)運(yùn)動的受力分析.................................2.3流體驅(qū)動管道機(jī)器人產(chǎn)生速度波動的影響因素........................2.3.1影響管道機(jī)器人產(chǎn)生速度波動的外部因素.......................2.3.2影響管道機(jī)器人產(chǎn)生速度波動的內(nèi)部因素.......................2.4本章小結(jié).......................................................流體驅(qū)動管道機(jī)器人力學(xué)平衡設(shè)計............................3.1管道機(jī)器人驅(qū)動力設(shè)計原理......................................3.1.1管道機(jī)器人支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的流體壓差驅(qū)動力...................3.1.2管道機(jī)器人外設(shè)葉片機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力.......................3.2管道機(jī)器人阻力設(shè)計原理........................................3.2.1管道機(jī)器人外設(shè)摩擦輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的可調(diào)阻力....................3.2.2管道機(jī)器人本體重力產(chǎn)生的不可調(diào)阻力........................3.3管道機(jī)器人平衡分析............................................3.4本章小結(jié)......................................................流體驅(qū)動管道機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計...................................4.1管道機(jī)器人支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計..........................................4.1.1管內(nèi)主支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計..........................................4.1.2管內(nèi)輔助部件支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計....................................4.2管道機(jī)器人緊固聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計......................................4.2.1前后支撐輪盤的聯(lián)結(jié)設(shè)計......................................4.2.2功能部件聯(lián)結(jié)設(shè)計............................................4.2.3防松結(jié)構(gòu)設(shè)計................................................4.3管道機(jī)器人主體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計.....................................4.3.1驅(qū)動功能主體結(jié)構(gòu)設(shè)計........................................4.3.2阻礙功能主體結(jié)構(gòu)設(shè)計........................................4.4本章小結(jié)........................................................流體自驅(qū)動管道機(jī)器人平衡的Matlab數(shù)值仿真分析.......................5.1管道流量變化引起的驅(qū)動力數(shù)值變化...................................5.1.1流體壓差驅(qū)動力數(shù)值變化.........................................5.1.2葉片驅(qū)動力數(shù)值變化.............................................5.2管道流量變化引起的可調(diào)阻力數(shù)值變化.................................5.3管道機(jī)器人隨管道流量的平衡數(shù)值分析.................................5.4本章小結(jié)...........................................................流體自驅(qū)動管道機(jī)器人輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)............................6.1管道機(jī)器人可調(diào)阻力設(shè)計機(jī)構(gòu)的靜平衡分析............................6.2管道機(jī)器人恢復(fù)彈簧的參數(shù)設(shè)計.......................................6.2.1驅(qū)動軸彈簧設(shè)計參數(shù)............................................6.2.2支撐輪彈簧設(shè)計參數(shù)............................................6.3本章小結(jié)..........................................................總結(jié)與展望.....................................................參考文獻(xiàn).................................................................致謝....................................................................引言1.1課題研究的背景及來源隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,人們的生產(chǎn)生活在追求更好質(zhì)量，更低成本，更高效率的同時，對于產(chǎn)品精度和安全性的要求也越來越高，高效率，高自動化，高精度，高可靠性的機(jī)器人技術(shù)成為了高端產(chǎn)業(yè)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。目前，由于對控制精度和響應(yīng)速度要求較高，機(jī)器人驅(qū)動器大部分采用剛性關(guān)節(jié)，但隨著機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣,如工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域、醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域、特定服務(wù)機(jī)器人以及特殊環(huán)境作業(yè)機(jī)器人等，機(jī)器人的工作環(huán)境越來越復(fù)雜，與人的接觸機(jī)會越來越多,我們對于能夠應(yīng)用于人機(jī)交互環(huán)境中,對環(huán)境友好，且不對外界環(huán)境造成危害的機(jī)器人系統(tǒng)的需要越來越迫切,因此機(jī)器人的安全性和環(huán)境適應(yīng)性逐漸成為了近年來機(jī)器人技術(shù)研究的重點(diǎn)方向。在機(jī)器人技術(shù)環(huán)境友好、安全可靠的發(fā)展趨勢下,能夠?qū)ν鈦頉_擊產(chǎn)生一定緩沖，減小機(jī)械振動，提高能量利用率，并大大提升人機(jī)交互中安全性的可變剛度柔性關(guān)節(jié)成為了研究熱點(diǎn)，越來越受到關(guān)注。近年來各種可變剛度柔性關(guān)節(jié)相繼出臺，應(yīng)用于諸如腿假體裝置，腿外骨骼的步行輔助系統(tǒng)，醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人，仿人機(jī)械臂等方面，這些可變剛度的驅(qū)動系統(tǒng)通常采用兩個驅(qū)動器單元與被動彈性元件的組合來獨(dú)立地控制驅(qū)動關(guān)節(jié)的剛度和平衡位置。變剛度驅(qū)動關(guān)節(jié)能夠模擬人類的肌肉，遭遇沖擊的時候能夠產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膹澢?，以緩沖碰撞所產(chǎn)生的能量，同時感知外界阻力并做出反應(yīng)，從而能夠保證手臂和外界環(huán)境的安全性。此外，彈性元件像肌肉一樣吸收、儲存、再利用沖擊能量，不僅可以提高能量的利用率，而且能從一定程度上消除機(jī)械震蕩，減小機(jī)械損傷。出色的環(huán)境適應(yīng)性和高安全性使可變剛度柔性關(guān)節(jié)具有編號的發(fā)展前景。1.2課題研究的目的和意義可變剛度柔性關(guān)節(jié)能夠緩沖碰撞,減小機(jī)械震蕩,提高能量利用率，提升機(jī)器人對于人和環(huán)境的安全性。它的提出，使得日新月異，飛速發(fā)展的機(jī)器人技術(shù)得到了良好的安全性和環(huán)境適應(yīng)性保障，使其能夠在各種環(huán)境條件下應(yīng)對各種突發(fā)情況，并可以直接應(yīng)用于發(fā)展?jié)摿薮蟮娜藱C(jī)交互機(jī)器人上，大大拓寬了機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，推動高端科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對未來機(jī)器人能夠更好地為人類服務(wù)具有重大深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。1.3變剛度關(guān)節(jié)的發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1變剛度關(guān)節(jié)在國外的研究現(xiàn)狀變剛度關(guān)節(jié)的概念最初由國外提出，并進(jìn)行此方面的研究，取得了豐富全面的研究成果，將其融入到輕型機(jī)器臂中，使，開發(fā)出性能優(yōu)異的柔性臂。具有機(jī)械彈性的仿人機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展了近二十年之久，其靈活性和安全性能與日俱增。它們主要分為兩種類型：具有連續(xù)彈性接頭的機(jī)器人（SEA），以及具有可變剛度關(guān)節(jié)（VSJ）的機(jī)器人。SEA關(guān)節(jié)具有各自獨(dú)立的彈簧特性，每個接頭中僅具有一個驅(qū)動器，這促成了更加簡單輕便的關(guān)節(jié)的產(chǎn)生，但是有關(guān)節(jié)剛度不能適應(yīng)于不同環(huán)境的缺點(diǎn)。意大利技術(shù)研究所(IIT)的G.Metta等人設(shè)計出了一種基于SEA的緊湊型變剛度關(guān)節(jié)，應(yīng)用于他們研發(fā)的“iCub”機(jī)器人（擁有53個自由度，小孩大小的人形機(jī)器人）的關(guān)節(jié)中，如圖：一種基于SEA的緊湊型變剛度關(guān)節(jié)還有其他一些研究人員開發(fā)出各種各樣的基于SEA的變剛度關(guān)節(jié)。LagodaC.等人設(shè)計出了一種用于步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人關(guān)節(jié)eSEAJ(electricSeriesElasticActuatedJoint)。StienenA.H.A等人開發(fā)出了一種用于上肢康復(fù)的外骨骼機(jī)器人關(guān)rHEA(rotationalHydroElasticActuator)，如圖：國外幾種典型的SEA變剛度關(guān)節(jié)為了解決SEA關(guān)節(jié)不能適應(yīng)各種環(huán)境的局限性，一些學(xué)者在SEA的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種冗余的關(guān)節(jié)驅(qū)動器，采用了兩個電機(jī)，一個電機(jī)控制關(guān)節(jié)輸出位置，另一個調(diào)節(jié)輸出剛度。根據(jù)電機(jī)的連接方式不同，主要分為三大類：并聯(lián)型、串聯(lián)型和可變物理結(jié)構(gòu)型。并聯(lián)型是指關(guān)節(jié)的輸出力矩是兩個電機(jī)的力矩之和，串聯(lián)型是指關(guān)節(jié)的末端位置是兩個電機(jī)的輸出位移之和。并聯(lián)型結(jié)構(gòu)：JunhoChoi等人設(shè)計出了一種較為復(fù)雜的拮抗式并聯(lián)結(jié)構(gòu)的變剛度關(guān)節(jié)VSJ。利用片彈簧的變形實(shí)現(xiàn)剛度的改變，片彈簧一端固定于主軸，另一端自由，相當(dāng)于懸臂梁。兩電機(jī)以對稱的方式放在兩端，分別帶動連桿a和連桿b運(yùn)動，當(dāng)兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速一致時，中樞在片彈簧上的位置不發(fā)生改變，關(guān)節(jié)剛度就保持不變；當(dāng)兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同時，中樞在片彈簧上的位置則會改變，中樞沿著片彈簧移動，導(dǎo)致關(guān)節(jié)剛度發(fā)生改變。如圖：基于片彈簧的變剛度關(guān)節(jié)VSJ串聯(lián)型結(jié)構(gòu)：德宇航(DLR)的Wolf.S等人設(shè)計出了一種變剛度關(guān)節(jié)VS-J(VariableStiffnessJoint)，運(yùn)用于DLR柔性臂的關(guān)節(jié)中。該關(guān)節(jié)利用諧波減速器的差動特性，關(guān)節(jié)電機(jī)與波發(fā)生器相聯(lián)接，柔性輪作輸出端，變剛度機(jī)構(gòu)VSM(VariableStiffnessMechanism)與剛性輪相聯(lián)接。工作時，彈簧沿主軸方向的變形轉(zhuǎn)化為繞主軸的力矩，調(diào)節(jié)剛度的電機(jī)帶動底座滑塊壓縮彈簧改變關(guān)節(jié)的整體剛度，當(dāng)關(guān)節(jié)受到外界載荷而產(chǎn)生被動變形時，驅(qū)動關(guān)節(jié)的電機(jī)靜止不動，關(guān)節(jié)的輸出剛度僅與VSM有關(guān)，通過改變凸輪的曲面形狀即可得到不同剛度特性的關(guān)節(jié)。如圖：DLR研究變剛度關(guān)節(jié)的相關(guān)成果可變物理結(jié)構(gòu)型：AWAS(ActuatorwithAdjustableStiffness)采用了調(diào)整杠桿力臂長度的原理，關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)M1和中間連桿剛性連接起來，用于調(diào)整關(guān)節(jié)位置，中間連桿和輸出連桿之間安裝一對拮抗放置的彈簧，兩個彈簧是預(yù)壓縮的，運(yùn)動中總的長度保持不變；剛度調(diào)節(jié)電機(jī)M2通過滾珠絲杠機(jī)構(gòu)移動彈簧位置，從而改變彈簧作用點(diǎn)與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心之間的距離（即有效力臂），以此來改變關(guān)節(jié)的輸出剛度。AWAS-II在I型的基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)，固定彈簧的位置而改變杠桿支點(diǎn)的位置，有效地擴(kuò)大了關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)范圍并且提升了較小剛度時調(diào)整的響應(yīng)速度。如圖：AWAS工作原理及實(shí)物AWAS-II原型及工作原理1.3.2變剛度關(guān)節(jié)在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀國內(nèi)在變剛度關(guān)節(jié)方面的研究起步較晚，尚處在探索階段。研究成果比較少。對于可變剛度機(jī)構(gòu)設(shè)計，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的尹鵬等人研制出了一種面向足式機(jī)器人的新型可調(diào)剛度柔性關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)采用了一種變傳動比杠桿機(jī)構(gòu)作為核心部件，實(shí)現(xiàn)了剛度的連續(xù)可調(diào)功能。關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及驅(qū)動方式設(shè)計緊湊，滿足了足式機(jī)器人系統(tǒng)對重量及體積的要求，通過分析關(guān)節(jié)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與關(guān)節(jié)輸出剛度系數(shù)之間的關(guān)系，選擇較為敏感的參數(shù)，提高剛度調(diào)節(jié)的靈敏性。面向足式機(jī)器人的新型可調(diào)剛度柔性關(guān)節(jié)1.4課題研究的主要內(nèi)容本文由變剛度關(guān)節(jié)的運(yùn)用背景和研究進(jìn)展出發(fā)，分析國內(nèi)外提出的各種可變剛度關(guān)節(jié)的特性，對其原理和工作方式進(jìn)行分析研究。在眾多方案中，選擇AWAS-II作為主要研究目標(biāo)，并建立關(guān)節(jié)的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)關(guān)節(jié)剛度計算公式,實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)控制。為達(dá)到仿人的目的，可變剛度關(guān)節(jié)需有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，以在不同條件下完成工作要求，并而出三維模型，進(jìn)行仿真測試，驗(yàn)證可變剛度關(guān)節(jié)在剛度調(diào)節(jié)方面的有效性。本課題研究和解決的問題：1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)，收集有關(guān)資料，了解各種關(guān)節(jié)的方案設(shè)計，分析可變剛度關(guān)節(jié)的特性，對其變化剛度的原理和工作方式進(jìn)行分析；2）建立AWAS-II的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)關(guān)節(jié)剛度計算公式,實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)控制。3）根據(jù)要求對AWAS-II進(jìn)行相關(guān)參數(shù)以及零件的設(shè)計。4）根據(jù)設(shè)計參數(shù)使用三維軟件solidworks對變剛度關(guān)節(jié)進(jìn)行建模，完成動力學(xué)仿真以及靜應(yīng)力分析，對其結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化，得出課題研究的主要結(jié)論。1.5本章小結(jié)本章主要對變剛度關(guān)節(jié)研究的社會背景和現(xiàn)實(shí)意義進(jìn)行了詳細(xì)說明，分析了國內(nèi)外對變剛度關(guān)節(jié)的研究現(xiàn)狀。在最后，提出了本課題研究需要解決的問題和需要完成的任務(wù)。

AWAS-II的工作原理和數(shù)學(xué)模型分析2.1AWAS-II的概念為了闡明應(yīng)用于AwAS-II的機(jī)構(gòu)與其它采用杠桿機(jī)構(gòu)的可變剛度驅(qū)動器相比的優(yōu)點(diǎn)，本文討論了AwAS和AwAS-II兩個機(jī)構(gòu)的概念。應(yīng)用于AwAS的機(jī)構(gòu)的概念基于可變桿臂。假設(shè)一個圍繞其樞軸旋轉(zhuǎn)的杠桿（如圖1）。兩個彈簧拮抗地連接到杠桿并且可以靠近或遠(yuǎn)離樞軸移動。有效長度是樞軸和彈簧之間的距離。桿端的表觀剛度可以通過改變有效臂來調(diào)節(jié)。有效臂越長，杠桿越硬，剛度越大。因此可實(shí)現(xiàn)的最大剛度取決于最大有效臂長（有效的杠桿長度）和彈簧的彈性。圖1.AwAS的概念:通過移動彈簧的位置改變有效臂長來改變剛度然而，AwAS-II的概念是基于可變比杠桿機(jī)構(gòu)。如圖2所示調(diào)節(jié)剛度，力和彈簧的位置保持固定，而樞軸的位置發(fā)生改變,在杠桿長度一定的情況下，樞軸和彈簧之間的距離與樞軸和施加力的作用點(diǎn)之間的距離即杠桿兩臂，其比率也發(fā)生改變，從而改變剛度。如果樞軸到達(dá)連接到彈簧的桿的端部，則比率等因此剛度變?yōu)榱?，而如果到達(dá)另一端，則桿變得剛性。這個結(jié)論并不受杠桿的長度與彈簧的彈性限制。圖3.AwAS-II的概念;通過在彈簧的位置保持固定的同時移動樞軸的位置來改變杠桿的比率，從而改變剛度AWAS-II，它是AWAS的改進(jìn)版本，所述的新穎之處在于，彈簧和載荷施加到桿的作用點(diǎn)的位置保持固定，而是樞軸位置發(fā)生改變，變化的是杠桿兩臂長度的比值。該比值理論上可以在零到無限之間變化，因此剛度可以從非常軟到完全剛性。該范圍不取決于杠桿的長度和彈簧的彈性。因此，我們在設(shè)計中可以對彈簧和杠桿減少要求，使用更短的桿和更經(jīng)濟(jì)的彈簧，這使得AwAS-II的結(jié)構(gòu)與AwAS相比更輕更緊湊，成本也更低。同時，更短的桿還有一個優(yōu)勢，在于能夠更快地調(diào)節(jié)剛度水平（從最小剛度到最大剛度的行程距離更短）。2.2AwAS-II的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖3.AwAS-II的基本結(jié)構(gòu)在AwAS-II的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，在圖3中可以看到，兩個拮抗放置的扭轉(zhuǎn)彈簧以預(yù)偏轉(zhuǎn)的方式固定到輸出連桿的一側(cè)，并且另一側(cè)連接到杠桿的一端。杠桿的另一端通過旋轉(zhuǎn)接頭連接到輸出連桿。中間連桿剛性地連接到驅(qū)動關(guān)節(jié)運(yùn)動的主電動機(jī)（以下稱為M1）。圖4.滑塊的位置由M2通過滾珠絲杠機(jī)構(gòu)改變樞軸是放置在杠桿內(nèi)并連接到滑塊的凸輪從動件，其由被另一電動機(jī)（以下稱為M2）驅(qū)動的滾珠絲杠機(jī)構(gòu)移動。穿過滑塊的直線導(dǎo)軌防止滑塊圍繞滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)，并且當(dāng)輸出連桿從其平衡位置偏轉(zhuǎn)時起一定支撐作用。兩個電機(jī)的運(yùn)動是相對獨(dú)立的，M1控制關(guān)節(jié)的中間連桿運(yùn)動，而M2用來控制剛度。剛度取決于杠桿兩臂的比率L1/L2，定義L1是樞軸和連接到彈簧的杠桿的端部之間的距離，L2是樞軸和連接到輸出連桿的杠桿的另一端之間的距離。杠桿可以相對于輸出連桿圍繞該后端旋轉(zhuǎn)，也可以圍繞樞軸旋轉(zhuǎn)，因此如果連桿偏離其平衡位置，則彈簧根據(jù)樞軸的位置而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)樞軸與M1的旋轉(zhuǎn)中心對準(zhǔn)時，該比率變?yōu)榱悖↙1=0），并且關(guān)節(jié)呈現(xiàn)零剛度，中間連桿與輸出連桿之間可以隨意轉(zhuǎn)動。將樞軸遠(yuǎn)離該端部移動，增加剛度，直到樞軸到達(dá)另一端并且與輸出連桿和桿之間的接頭的軸線對準(zhǔn)。在該位置，比率變?yōu)闊o限大（L2=0），并且關(guān)節(jié)變?yōu)閯傂?。?dāng)連桿偏離其平衡位置時，連接到彈簧的杠桿的端部沿著彈簧的一端滑動，為了減小滑動摩擦，在杠桿和每個彈簧之間放置滾輪。圖5.AwAS-II實(shí)物圖2.3AwAS-II調(diào)節(jié)剛度的數(shù)學(xué)模型電機(jī)M2驅(qū)動滾珠絲杠機(jī)構(gòu)獨(dú)立地調(diào)節(jié)系統(tǒng)剛度，與中間連桿保持剛性連接，并不參與系統(tǒng)受外力后的變形過程。中間連桿由電機(jī)M1驅(qū)動，此時中間連桿上的樞軸通過兩個彈簧的作用力來帶動輸出連桿一起旋轉(zhuǎn)，在平衡狀態(tài)下，輸出連桿和中間連桿保持同步旋轉(zhuǎn)。在輸出連桿受到外力作用時，輸出連桿相對于中間連桿會以樞軸為中心發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)，從而引起杠桿另一端彈簧的形變。兩個彈簧是拮抗放置的，形變造成的彈力差用來平衡杠桿另一端的外力，此時系統(tǒng)處于非平衡狀態(tài)。為了方便得到系統(tǒng)的關(guān)節(jié)剛度的模型，我們用等效虛擬壓縮彈簧來替代扭轉(zhuǎn)彈簧，如圖6所示：圖6.用等效虛擬壓縮彈簧代替扭轉(zhuǎn)彈簧在這種情況下，壓縮彈簧的彈性系數(shù)須用扭轉(zhuǎn)彈簧的系數(shù)來表示。圖中，扭轉(zhuǎn)彈簧在距彈簧中心rt的臂處受到力Ft的作用。假設(shè)力Ft則：力Ft使得扭力彈簧發(fā)生偏轉(zhuǎn)δγ：

δ其中x是圖6中所示的扭轉(zhuǎn)彈簧的受力臂的線性位移。扭轉(zhuǎn)彈簧的合成扭矩為：Tt由方程（1）和（2），扭力彈簧的彈性系數(shù)可以由下式得出：Kt其中Ks表示等效虛擬壓縮彈簧的彈性系數(shù)。圖7示出當(dāng)輸出連桿通過角偏轉(zhuǎn)Φ=q-θ圖7在非平衡位置的AwAS-II?剛度取決于比率α，其定義為L1L2。旋轉(zhuǎn)接頭的角偏轉(zhuǎn)是輸出連桿和中間連桿之間的角度差。角偏轉(zhuǎn)使杠桿圍繞樞軸旋轉(zhuǎn)β并且以另一側(cè)的速率Ks壓縮彈簧δFs=其中，p為彈簧的預(yù)壓縮長度，δx由于杠桿另一端連接到輸出連桿，因此施加到輸出連桿的力F可以為：F=F在受力處的合成轉(zhuǎn)矩為：T=FL連桿的角偏轉(zhuǎn)可以基于杠桿圍繞其樞軸的旋轉(zhuǎn)來公式化為：sinφ由等式（3）和（7），剛度可以推導(dǎo)如下：K=?T在平衡位置，剛度可以寫為：K=2從上述等式可知，系統(tǒng)的剛度取決于杠桿的比率，彈簧的彈性系數(shù)，彈簧臂的長度，杠桿的長度以及角偏轉(zhuǎn)。然而，理論上比率α可以在零與無限大之間變化，其他參數(shù)受設(shè)計上的限制有一定局限性，對剛度范圍的影響較小。因此，通過調(diào)節(jié)樞轉(zhuǎn)位置來改變比率α，可以將剛度設(shè)置為任何所需的水平，其余參數(shù)僅影響剛度曲線的非線性。2.4本章小結(jié)本章分析了AwAS-II的工作原理和結(jié)構(gòu)，并建立了其剛度的數(shù)學(xué)模型。從結(jié)論上看，調(diào)節(jié)樞軸位置改變比率α，可以將剛度設(shè)置為任何所需的水平，而其余參數(shù)對剛度曲線影響不大，因此在設(shè)計上可以使用更短的桿和更易得到的彈簧，使其結(jié)構(gòu)較之AwAS原型更緊湊，成本更低，同時有更快的調(diào)節(jié)速度。變剛度關(guān)節(jié)的模型和仿真分析3.1管道機(jī)器人驅(qū)動力原理設(shè)計管道機(jī)器人在管道中受到流體作用的驅(qū)動力可以劃分為兩個主要來源，即由于管道支撐體在管道內(nèi)產(chǎn)生的流體壓差驅(qū)動力和機(jī)器人外設(shè)計結(jié)構(gòu)葉片產(chǎn)生的驅(qū)動力。管道支撐體在管道內(nèi)產(chǎn)生的驅(qū)動力取決于固定的管道支撐體的結(jié)構(gòu)和流體運(yùn)動參數(shù)，結(jié)構(gòu)體無法動態(tài)變化。機(jī)器人外設(shè)計同樣由于固有零件的尺寸限制，結(jié)構(gòu)體也不會發(fā)生動態(tài)變化，驅(qū)動力大小只取決管道流體的運(yùn)動參數(shù)。3.1.1管道機(jī)器人支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的流體壓差驅(qū)動力根據(jù)現(xiàn)有的流體力學(xué)基礎(chǔ)理論知識，獲得現(xiàn)有的流體壓差驅(qū)動力計算方法。如圖3.1所示，分析流體壓差驅(qū)動力計算模型[13]。圖3.1流體管道截面變化時的壓差阻力計算流體在流經(jīng)截面變化的管道時會產(chǎn)生截面兩側(cè)的壓差，且流體在變截面流動之前由于流體與管道截面的相互作用產(chǎn)生流體的壓力損失。圖示中，設(shè)管道流體變截面前流體速度為，壓強(qiáng)為，流動流體橫截面積為。流體流經(jīng)的變截面時，流體速度為，壓強(qiáng)為，流動流體的橫截面積為。通過變面后，流體速度為，壓強(qiáng)為，流動流體的橫截面積為。根據(jù)流體介質(zhì)在管道流動的伯努利方程：式中：為動能修正系數(shù)。—流體進(jìn)入變截面前流體的壓力；—流體介質(zhì)的密度；—流體進(jìn)入變截面前流體的速度；—流體離開變截面后流體的壓力；—流體離開變截面后流體的速度；—沿程損失，距離較小，可以忽略；—管道截面收縮時的局部損失；—管道截面擴(kuò)張時的局部損失；局部損失的表達(dá)式：式中：—局部阻力系數(shù)；管道收縮時的局部阻力系數(shù)的計算方法為式中：—管道變截面前的截面積；—管道變截面時的截面積；對于管道截面面積突然變大的局部阻力系數(shù)的計算方法為式中：—管道截面變大后的截面積；模型中，管道變截面前后的流體截面面積，則流體流經(jīng)管道機(jī)器人前后的流量滿足：聯(lián)立上述各式，可得流體流經(jīng)變截面的前后壓差為：式中：—入口系數(shù)，0<<1,變截面處入口越光滑，越??；流體經(jīng)過變截面時，由變截面前后的壓差可以求得流體此時對變截面體(管道機(jī)器人)的作用力為：式中：—流體流經(jīng)變截面時，實(shí)體面積，；—流體對變截面的作用力；上述相關(guān)公式的推導(dǎo)，是計算流體自驅(qū)動管道機(jī)器人支撐體在流體管道中所受到流體的驅(qū)動力的理論依據(jù)。依據(jù)此模型，可以求出流體的壓差驅(qū)動力。3.1.2管道機(jī)器人外設(shè)葉片機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力流體的壓差驅(qū)動力受機(jī)器人變截面條件的固定約束，無法進(jìn)行對管道機(jī)器人管道內(nèi)所受摩擦力的動態(tài)調(diào)節(jié)。所以在流體驅(qū)動管道機(jī)器人中設(shè)置了動態(tài)的可以間接用于調(diào)節(jié)摩擦力的外設(shè)葉片機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力。依據(jù)流體力學(xué)的知識，我們對葉片在變截面管道內(nèi)的軸向力進(jìn)行了理論分析。下述為外設(shè)葉片機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力的理論依據(jù)。利用單純的動量方程和伯努利方程并不能仔細(xì)分析葉片推進(jìn)器的工作情況，但是利用這些方程可以分析其工作原理并且指導(dǎo)設(shè)計工作[14]。圖3.2葉片推動器模型計算如圖3.2所示，葉片推動器計算模型。設(shè)葉片推進(jìn)器前后一定距離的壓力分布均勻。取1~4截面及圖示流管為控制面，此時控制體內(nèi)流體受到的力只有葉片推進(jìn)器對流體的作用力(流體對葉片驅(qū)動器的作用力為)。由計算模型知：式中：—葉片實(shí)體截面的面積；—葉片實(shí)體截面前后的流體壓強(qiáng)，；—流體進(jìn)入葉片推動器前的流體流速；—流體流出葉片推動器后的流體流速；—流體在葉片截面的平均流速；—流體在管道內(nèi)的流量；—流體介質(zhì)的密度；(3-8)式中消去得列1，2及3，4截面的伯努利方程得：考慮到在長距離管道運(yùn)輸中，，由(3-10),(3-11)兩式可得：聯(lián)立上述方程式，得：在設(shè)計流體驅(qū)動管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)時采用葉片推動器使流體產(chǎn)生對機(jī)器人的驅(qū)動力，使用該驅(qū)動力來調(diào)整機(jī)器人遇到的摩擦阻力，實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)。下文將對葉片產(chǎn)生的驅(qū)動力如何來調(diào)節(jié)阻力進(jìn)行分析。3.2管道機(jī)器人阻力設(shè)計原理流體驅(qū)動管道機(jī)器人在管道中會受到機(jī)器人與管道內(nèi)壁的摩擦力，由經(jīng)典摩擦定律可知，物體所受摩擦力的大小與接觸面所受的正壓力成正比。管道機(jī)器人與管道內(nèi)壁的正壓力取決與機(jī)器人本體的重力和機(jī)器人的設(shè)計結(jié)構(gòu)在驅(qū)動力的作用下產(chǎn)生的正壓力。管道流量變化，促使機(jī)器人葉片機(jī)構(gòu)驅(qū)動力發(fā)生變化，從而改變機(jī)器人與管道內(nèi)壁的正壓力，最后改變作用在管道機(jī)器人的摩擦阻力。上述的調(diào)節(jié)過程使管道所受的驅(qū)動力和所受的摩擦阻力具有達(dá)到平衡的可能性。3.2.1管道機(jī)器人外設(shè)摩擦輪機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的可調(diào)阻力外設(shè)摩擦輪機(jī)構(gòu)阻力的可調(diào)來源于葉片推進(jìn)器在流體的作用下產(chǎn)生的驅(qū)動力的動態(tài)變化。設(shè)計一種三爪分支的管道機(jī)器人，在葉片推進(jìn)器的外驅(qū)動力作用下，三爪分支機(jī)構(gòu)撐開，摩擦輪緊貼管道內(nèi)壁，摩擦輪與管道內(nèi)壁的正壓力與外驅(qū)動力成正比。三爪分支機(jī)構(gòu)的簡易模型如下：圖3.3空間三爪支撐結(jié)構(gòu)簡易模型(空間內(nèi)一個）此模型中，為支撐輪架，其中,,以及為四個鉸接點(diǎn)，設(shè)模型中的尺寸滿足：=,=,.圖示中的夾角分別為。由理論力學(xué)知識計算模型的平衡（此管道機(jī)器人設(shè)計的剛性靜力學(xué)平衡），平面力學(xué)平衡：式中：—管道內(nèi)壁與支撐輪的正壓力；—支撐桿的正壓力；—節(jié)點(diǎn)處的水平方向力；—節(jié)點(diǎn)處的豎直方向力；上述支撐結(jié)構(gòu)的剛性力學(xué)平衡，主要可以得到的相互代數(shù)關(guān)系表達(dá)式：設(shè)計的剛性支撐輪結(jié)構(gòu)是空間3x120?均勻分布的，有三個相同的分支。當(dāng)支撐桿的正壓力與葉片推進(jìn)器的軸向力在軸向方向平衡時，其受力結(jié)構(gòu)模型為：圖3.4支撐結(jié)構(gòu)受力模型(空間內(nèi)一個）由理論力學(xué)知識計算模型的平衡，實(shí)際為空間力系，只計算軸線方向：式中：—三個支撐桿的正壓力；—葉片推進(jìn)器的軸向力；上述等式主要得到的代數(shù)關(guān)系式：綜合(3-17)與（3-20）得到的代數(shù)關(guān)系式為：設(shè)計的支撐架的外摩擦輪與管道內(nèi)壁的摩擦為滑動摩擦，其設(shè)計的目的是為了讓可調(diào)摩擦阻力成為影響管道機(jī)器人平衡因素的主要摩擦阻力。根據(jù)經(jīng)典摩擦理論得：式中：—管道機(jī)器人摩擦輪與管道內(nèi)壁相對滑動的摩擦系數(shù)；由上述力學(xué)分析，推導(dǎo)出可調(diào)摩擦阻力的計算方法。3.2.2管道機(jī)器人本體重力產(chǎn)生的不可調(diào)阻力設(shè)計的流體自驅(qū)動管道機(jī)器人采用的是管道內(nèi)柱體圓盤支撐的的形式，在圓盤的徑向安裝6x60?的徑向輪，設(shè)計的徑向輪與管道內(nèi)壁的摩擦為滾動摩擦，該摩擦阻力是由管道機(jī)器人本體重力產(chǎn)生的不可調(diào)摩擦阻力。為了使管道機(jī)器人所受的驅(qū)動力和摩擦阻力盡可能達(dá)到平衡的狀態(tài)，從而最大限度地減少管道機(jī)器人在流體作用下的速度波動，所以設(shè)計徑向輪與管道內(nèi)壁的摩擦為滾動摩擦。圓盤徑向輪的簡易模型如下：圖3.5圓盤徑向支撐簡易模型利用理論力學(xué)平面靜平衡的理論知識對模型進(jìn)行力學(xué)分析：作用在支撐的正壓力主要為，對于支撐圓盤上半部分的正壓力忽略為0，因?yàn)橹亓Φ淖饔命c(diǎn)為支撐圓盤的中心。受力分析得：