基于給定非線性剛度的柔順驅動器設計及性能評估

宋智斌，胡秀棋

（天津大學機械工程學院機構理論與裝備設計教育部重點實驗室，天津300072）

近年來，隨著機器人技術的發展，人機共融的場景逐漸增多，這對人機交互的安全性提出了較高的要求［1-3］，機器人關節的柔順性顯得尤為重要。此外，仿生機器人關節更須具有一定的柔順性，才能實現適應環境的仿生運動［4］。

機器人關節的柔順性可以通過力/力矩控制來實現（即主動型柔順），也可以利用機械結構的固有柔性來實現（即被動型柔順），本文主要討論后者。串聯彈性驅動器（series elastic actuator，SEA）作為典型的被動型柔順驅動器，通過在驅動端和負載端之間串聯恒定剛度的彈性元件使機器人關節獲得柔順性［5］。該類驅動器具有較低的輸出阻抗及較好的力控制性能，但其控制帶寬和對不同工況的適應性因剛度恒定而受到限制［6］。

為彌補SEA的缺陷，學者們提出了變剛度驅動器（variable stiffness actuator，VSA）［7］。但是，VSA除了需要驅動關節運動的電機外，還需要額外的電機來調節關節剛度，以至于其結構復雜、能耗增加［8］。同時，由于VSA剛度調節與負載變化之間的非耦合關系，在特定工況下，剛度與負載間可能會匹配不合理，例如在需要承受大負載時匹配低剛度會導致關節失穩［9］。另外，VSA剛度的調節速度受限于控制效率和電機等的響應速度，這在一定程度上會削弱人機交互的安全性。

實際上，從生物力學角度來看，人體關節周邊肌肉組織的剛度與其被拉伸的程度呈非線性關系［10］，這種關系可以總結為“大負載下采用大剛度，小負載下采用小剛度”。……