從自然到機(jī)械:主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的仿生創(chuàng)新與實(shí)踐_第1頁(yè)
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從自然到機(jī)械:主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的仿生創(chuàng)新與實(shí)踐一、引言1.1研究背景與意義在機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展的當(dāng)下,機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景日益廣泛,從工業(yè)生產(chǎn)到日常生活服務(wù),從醫(yī)療護(hù)理到太空探索等領(lǐng)域,都能看到機(jī)器人的身影。在復(fù)雜多變的工作環(huán)境和多樣化的任務(wù)需求下,機(jī)器人需要具備更高的靈活性、適應(yīng)性以及安全性,而關(guān)節(jié)作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件,其性能直接影響著機(jī)器人整體的工作能力。主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)應(yīng)運(yùn)而生,成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的剛性關(guān)節(jié)機(jī)器人雖然能夠在結(jié)構(gòu)化、已知的環(huán)境中精確地執(zhí)行任務(wù),如在工廠流水線上進(jìn)行零件的搬運(yùn)和組裝等。然而,當(dāng)面對(duì)復(fù)雜的未知環(huán)境,像救援場(chǎng)景中的廢墟、服務(wù)場(chǎng)景中的家居環(huán)境時(shí),剛性關(guān)節(jié)缺乏緩沖和順應(yīng)能力的弊端就會(huì)凸顯。一旦與環(huán)境發(fā)生碰撞,剛性關(guān)節(jié)可能會(huì)對(duì)自身結(jié)構(gòu)造成損壞,甚至可能傷害到周圍的人員或物體。例如,在人機(jī)協(xié)作的工作場(chǎng)景中,若剛性關(guān)節(jié)機(jī)器人意外碰撞到操作人員,可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。柔性關(guān)節(jié)則具備更好的順應(yīng)性和緩沖能力,能夠有效地降低碰撞時(shí)的沖擊力,保障機(jī)器人和周圍環(huán)境的安全。在人機(jī)交互的服務(wù)機(jī)器人中,柔性關(guān)節(jié)可以使機(jī)器人的動(dòng)作更加自然流暢,避免對(duì)人類造成意外傷害。但是,單一剛度的柔性關(guān)節(jié)難以滿足機(jī)器人在不同任務(wù)和環(huán)境下的多樣化需求。例如,在需要精確抓取物體時(shí),關(guān)節(jié)需要具備較高的剛度以保證抓取的穩(wěn)定性;而在進(jìn)行快速移動(dòng)或躲避障礙物時(shí),較低的剛度可以使關(guān)節(jié)更加靈活,提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率。主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)結(jié)合了剛性關(guān)節(jié)和柔性關(guān)節(jié)的優(yōu)點(diǎn),通過實(shí)時(shí)調(diào)整關(guān)節(jié)的剛度,能夠在不同的工作條件下為機(jī)器人提供最佳的性能支持。在機(jī)器人進(jìn)行精密操作時(shí),如在電子芯片制造中進(jìn)行微小元件的拾取和放置,主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)可以增加剛度,確保操作的高精度;而在機(jī)器人需要在復(fù)雜地形中移動(dòng)時(shí),如在野外探險(xiǎn)或?yàn)?zāi)難救援中,降低關(guān)節(jié)剛度能使機(jī)器人更好地適應(yīng)崎嶇的地面,提高其通過性和靈活性。自然界中的生物關(guān)節(jié)為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)提供了豐富的靈感來源。例如,人類的膝關(guān)節(jié)在行走、跑步、跳躍等不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,能夠通過肌肉和肌腱的協(xié)同作用自動(dòng)調(diào)整關(guān)節(jié)的剛度,以適應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)需求。鳥類在飛行時(shí),其翅膀關(guān)節(jié)的剛度也會(huì)根據(jù)飛行姿態(tài)和空氣動(dòng)力學(xué)的要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化,從而實(shí)現(xiàn)高效的飛行。通過對(duì)這些生物關(guān)節(jié)的深入研究和模仿,運(yùn)用仿生設(shè)計(jì)理念,可以開發(fā)出性能更加優(yōu)越的主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié),為機(jī)器人的發(fā)展帶來新的突破。仿生設(shè)計(jì)對(duì)于主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的性能提升具有重要意義。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面來看,仿生設(shè)計(jì)能夠借鑒生物關(guān)節(jié)的精巧結(jié)構(gòu),優(yōu)化關(guān)節(jié)的布局和組成方式,提高關(guān)節(jié)的緊湊性和集成度,使其在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能。在材料選擇上,受生物材料特性的啟發(fā),可以研發(fā)出具有更好柔韌性、強(qiáng)度和耐用性的新型材料,用于關(guān)節(jié)的制造,從而提升關(guān)節(jié)的整體性能。在控制策略上,模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)關(guān)節(jié)的精確控制機(jī)制,能夠使主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)更加智能、精準(zhǔn)的剛度調(diào)節(jié),進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)器人的適應(yīng)性和靈活性。主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)在機(jī)器人領(lǐng)域的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,仿生設(shè)計(jì)為其性能的提升提供了新的思路和方法。通過深入研究和創(chuàng)新,有望開發(fā)出更加先進(jìn)的主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié),推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在機(jī)器人領(lǐng)域,主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的研究吸引了眾多學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注,國(guó)內(nèi)外均取得了一系列具有重要價(jià)值的研究成果。國(guó)外方面,早在20世紀(jì)90年代,麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)就開始對(duì)柔性關(guān)節(jié)進(jìn)行深入探索,并成功研發(fā)出串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器(SEA),這一成果為后續(xù)主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。SEA將彈性元件串聯(lián)在剛性驅(qū)動(dòng)器之后,通過檢測(cè)彈性元件的變形來精確輸出力,顯著提升了機(jī)器人關(guān)節(jié)的柔順性和力控制精度。此后,許多科研團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上展開進(jìn)一步研究,致力于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的主動(dòng)調(diào)節(jié)??▋?nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員通過引入智能材料,如形狀記憶合金(SMA)和電/磁流變液(ER/MR),開發(fā)出能夠根據(jù)外部信號(hào)實(shí)時(shí)改變剛度的柔性關(guān)節(jié)。形狀記憶合金在溫度變化時(shí)能夠發(fā)生形狀變化,從而實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié);電/磁流變液則可以在外加電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下,迅速改變其流變特性,進(jìn)而調(diào)整關(guān)節(jié)的剛度。在仿生機(jī)理研究領(lǐng)域,國(guó)外的科研人員對(duì)多種生物關(guān)節(jié)進(jìn)行了細(xì)致的研究。例如,對(duì)鳥類翅膀關(guān)節(jié)在飛行過程中的剛度變化進(jìn)行了深入分析,發(fā)現(xiàn)鳥類能夠根據(jù)飛行速度、姿態(tài)以及空氣動(dòng)力學(xué)的要求,通過肌肉和肌腱的協(xié)同作用,精確地調(diào)整翅膀關(guān)節(jié)的剛度。這一發(fā)現(xiàn)為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的仿生設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。相關(guān)研究成果發(fā)表在《Science》《Nature》等國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊上,引起了廣泛的關(guān)注。國(guó)內(nèi)在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的研究方面也取得了顯著的進(jìn)展。近年來,眾多高校和科研機(jī)構(gòu)紛紛加大投入,開展了一系列具有創(chuàng)新性的研究工作。清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于對(duì)人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理的深入研究,提出了一種新型的仿生主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方案。該方案通過模仿人體膝關(guān)節(jié)中肌肉和韌帶的協(xié)同工作方式,利用多組彈性元件和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)剛度的連續(xù)、精確調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該關(guān)節(jié)在多種復(fù)雜任務(wù)和環(huán)境下都表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能,能夠有效地提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性和適應(yīng)性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研人員則專注于基于智能材料的主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的研究。他們利用電/磁流變液的特性,開發(fā)出一種新型的變剛度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制算法,實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)剛度的快速響應(yīng)和精確控制。該研究成果在機(jī)器人的快速運(yùn)動(dòng)和敏捷操作方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值,為我國(guó)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持。然而,當(dāng)前主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的研究仍存在一些不足之處。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,部分關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致加工制造難度大、成本高,且可靠性和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。一些采用復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剛度調(diào)節(jié)的關(guān)節(jié),其零部件數(shù)量眾多,裝配和維護(hù)困難,容易出現(xiàn)故障。在材料應(yīng)用方面,雖然智能材料為關(guān)節(jié)的變剛度提供了新的途徑,但現(xiàn)有的智能材料仍存在響應(yīng)速度慢、能耗高、壽命短等問題,限制了其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。以形狀記憶合金為例,其相變過程需要較長(zhǎng)的時(shí)間,且在多次循環(huán)使用后性能會(huì)逐漸下降。在控制策略方面,現(xiàn)有的控制算法大多基于理想模型,對(duì)實(shí)際工作中的不確定性和干擾因素考慮不足,導(dǎo)致關(guān)節(jié)在復(fù)雜環(huán)境下的控制精度和穩(wěn)定性難以滿足要求。當(dāng)機(jī)器人在未知環(huán)境中與障礙物發(fā)生碰撞時(shí),現(xiàn)有的控制算法可能無法及時(shí)、準(zhǔn)確地調(diào)整關(guān)節(jié)剛度,從而影響機(jī)器人的正常工作和安全性。綜上所述,國(guó)內(nèi)外在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的研究方面已經(jīng)取得了豐碩的成果,但仍存在一些亟待解決的問題。針對(duì)這些不足,進(jìn)一步深入研究生物關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和調(diào)控機(jī)制,開展創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料研發(fā)和控制策略研究,對(duì)于推動(dòng)主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的發(fā)展具有重要的意義。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)為了深入研究主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的仿生設(shè)計(jì),本論文綜合運(yùn)用了多種研究方法,力求全面、系統(tǒng)地揭示其設(shè)計(jì)原理、性能特點(diǎn)及應(yīng)用潛力。在理論研究方面,采用了多學(xué)科交叉的方法。深入研究生物學(xué)領(lǐng)域中生物關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)機(jī)理和調(diào)控機(jī)制,為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的仿生設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。通過對(duì)人體膝關(guān)節(jié)、鳥類翅膀關(guān)節(jié)等生物關(guān)節(jié)的詳細(xì)解剖學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)研究,獲取關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。同時(shí),結(jié)合機(jī)械工程學(xué)、材料科學(xué)、控制科學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識(shí),進(jìn)行關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和控制策略研究。運(yùn)用機(jī)械原理和運(yùn)動(dòng)學(xué)理論,對(duì)關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),確保其能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)功能;依據(jù)材料的力學(xué)性能和物理特性,篩選出適合關(guān)節(jié)制造的新型材料,以提高關(guān)節(jié)的性能和可靠性;基于控制理論和算法,設(shè)計(jì)出精確、高效的剛度調(diào)節(jié)控制策略,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化過程中,運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)。利用CAD軟件,建立主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的三維模型,直觀地展示關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)組成和裝配關(guān)系,方便進(jìn)行結(jié)構(gòu)的構(gòu)思和初步設(shè)計(jì)。通過CAE技術(shù),對(duì)關(guān)節(jié)模型進(jìn)行力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)。在力學(xué)分析中,模擬關(guān)節(jié)在不同工作條件下的受力情況,評(píng)估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,找出潛在的薄弱環(huán)節(jié),并進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)。運(yùn)動(dòng)仿真則可以驗(yàn)證關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)性能是否符合設(shè)計(jì)要求,提前發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程中可能出現(xiàn)的干涉和碰撞問題。通過優(yōu)化設(shè)計(jì),調(diào)整關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù),如零件的形狀、尺寸、材料分布等,以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)性能的最優(yōu)化,提高其工作效率和可靠性。為了驗(yàn)證理論分析和設(shè)計(jì)的正確性,開展了實(shí)驗(yàn)研究。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)設(shè)計(jì)制作的主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)中,采用多種先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備和傳感器,如力傳感器、位移傳感器、應(yīng)變片等,精確測(cè)量關(guān)節(jié)的輸出力、位移、剛度等性能參數(shù)。通過改變實(shí)驗(yàn)條件,如負(fù)載大小、運(yùn)動(dòng)速度、環(huán)境溫度等,研究關(guān)節(jié)在不同工況下的性能表現(xiàn),分析各種因素對(duì)關(guān)節(jié)性能的影響規(guī)律。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性,對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),確保關(guān)節(jié)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。本研究在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的仿生設(shè)計(jì)方面具有以下創(chuàng)新點(diǎn):在仿生原理的應(yīng)用上,突破了傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單模仿生物關(guān)節(jié)外形的設(shè)計(jì)思路,深入挖掘生物關(guān)節(jié)的內(nèi)在運(yùn)動(dòng)機(jī)理和調(diào)控機(jī)制,將其創(chuàng)新性地應(yīng)用于主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中。提出了一種基于生物肌肉-肌腱協(xié)同工作原理的關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)機(jī)制,通過模仿肌肉和肌腱的協(xié)同作用方式,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的連續(xù)、精確調(diào)節(jié),使關(guān)節(jié)能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境和任務(wù)需求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,提出了一種全新的緊湊型、集成化的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該方案巧妙地融合了多種功能模塊,減少了零部件的數(shù)量和體積,提高了關(guān)節(jié)的緊湊性和集成度。采用新型的彈性元件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu),簡(jiǎn)化了關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu),降低了加工制造難度和成本,同時(shí)提高了關(guān)節(jié)的可靠性和穩(wěn)定性。這種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的小型化、輕量化發(fā)展提供了新的途徑。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方式上,采用了多維度、多參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法。不僅對(duì)關(guān)節(jié)的靜態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試,還對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行深入研究,包括關(guān)節(jié)在快速運(yùn)動(dòng)、沖擊載荷等復(fù)雜工況下的性能表現(xiàn)。通過同步測(cè)量多個(gè)性能參數(shù),并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,全面、準(zhǔn)確地評(píng)估關(guān)節(jié)的性能,為關(guān)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提供了更加可靠的數(shù)據(jù)支持。這種多維度、多參數(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方式能夠更真實(shí)地反映關(guān)節(jié)在實(shí)際工作中的性能,有助于發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法難以察覺的問題,為關(guān)節(jié)的進(jìn)一步改進(jìn)提供有力依據(jù)。二、主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的仿生學(xué)基礎(chǔ)2.1自然界中的柔性關(guān)節(jié)與剛度調(diào)節(jié)機(jī)制2.1.1動(dòng)物肌肉-肌腱組織的柔性與剛度調(diào)節(jié)動(dòng)物的肌肉-肌腱組織是自然界中典型的具備柔性與剛度調(diào)節(jié)能力的結(jié)構(gòu),為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)提供了重要的仿生學(xué)啟示。以犬科動(dòng)物為例,在奔跑過程中,其肌肉-肌腱組織展現(xiàn)出獨(dú)特的能量存儲(chǔ)和剛度調(diào)節(jié)特性。當(dāng)犬科動(dòng)物奔跑時(shí),肌肉收縮產(chǎn)生的力通過肌腱傳遞到骨骼,驅(qū)動(dòng)身體前進(jìn)。在這個(gè)過程中,肌肉-肌腱組織不僅起到傳遞力的作用,還能夠存儲(chǔ)和釋放能量。研究表明,犬科動(dòng)物在奔跑時(shí),肌肉-肌腱能夠存儲(chǔ)約35%的機(jī)械能,并將其用于下一步的運(yùn)動(dòng)能量循環(huán)中。這種能量存儲(chǔ)機(jī)制使得犬科動(dòng)物在奔跑時(shí)能夠更加高效地利用能量,減少能量的浪費(fèi),從而提高運(yùn)動(dòng)的耐力和速度。從微觀層面來看,肌肉由大量的肌纖維組成,這些肌纖維具有良好的柔韌性和收縮性。當(dāng)肌肉受到神經(jīng)信號(hào)的刺激時(shí),肌纖維會(huì)收縮,產(chǎn)生力量。肌腱則是由致密的結(jié)締組織構(gòu)成,主要成分是膠原蛋白,具有很高的強(qiáng)度和一定的彈性。在肌肉-肌腱系統(tǒng)中,肌肉的收縮力通過肌腱傳遞到骨骼,而肌腱的彈性則可以起到緩沖和存儲(chǔ)能量的作用。當(dāng)肌肉收縮時(shí),肌腱會(huì)被拉伸,儲(chǔ)存彈性勢(shì)能;當(dāng)肌肉放松時(shí),肌腱會(huì)回彈,釋放儲(chǔ)存的能量,幫助肌肉完成下一次的收縮。犬科動(dòng)物能夠根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和環(huán)境需求,靈活地調(diào)整肌肉-肌腱組織的剛度。在高速奔跑時(shí),為了提高運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和效率,肌肉-肌腱組織會(huì)增加剛度,以更好地傳遞力量和承受沖擊;而在進(jìn)行一些需要靈活性的動(dòng)作,如轉(zhuǎn)彎、跳躍時(shí),肌肉-肌腱組織會(huì)降低剛度,使關(guān)節(jié)更加靈活,便于完成復(fù)雜的動(dòng)作。這種剛度調(diào)節(jié)機(jī)制是通過神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)肌肉的控制來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)犬科動(dòng)物需要調(diào)整肌肉-肌腱的剛度時(shí),神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)發(fā)送相應(yīng)的信號(hào),調(diào)節(jié)肌肉的收縮程度和張力,從而改變肌肉-肌腱組織的剛度?;趯?duì)犬科動(dòng)物肌肉-肌腱組織的研究,可以為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)提供以下思路:在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,可以模仿肌肉-肌腱的連接方式,采用彈性元件來連接剛性部件,實(shí)現(xiàn)力的柔性傳遞和能量的存儲(chǔ)??梢允褂脧椈伞⑾鹉z等彈性材料作為關(guān)節(jié)的彈性元件,類似于肌腱的作用,在傳遞力的同時(shí),能夠存儲(chǔ)和釋放能量。在控制策略方面,可以借鑒犬科動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)肌肉的控制方式,通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況,根據(jù)不同的任務(wù)需求,精確地調(diào)整關(guān)節(jié)的剛度。使用力傳感器、位移傳感器等監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的受力和變形情況,然后通過控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的算法,調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出力或其他驅(qū)動(dòng)裝置的參數(shù),實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的主動(dòng)調(diào)節(jié)。通過對(duì)動(dòng)物肌肉-肌腱組織的深入研究和模仿,可以設(shè)計(jì)出性能更加優(yōu)越的主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié),提高機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)能力和適應(yīng)性。2.1.2其他生物柔性關(guān)節(jié)的特點(diǎn)與啟示除了動(dòng)物的肌肉-肌腱組織,自然界中還有許多生物的柔性關(guān)節(jié)具有獨(dú)特的特點(diǎn),為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)提供了豐富的靈感來源。章魚的觸手是一種典型的柔性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),它具有高度的靈活性和適應(yīng)性。章魚的觸手沒有骨骼,主要由肌肉、表皮和神經(jīng)系統(tǒng)組成。其肌肉組織呈多層分布,包括縱向肌肉、橫向肌肉和斜向肌肉。通過這些肌肉的協(xié)同收縮和舒張,章魚的觸手可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng),如彎曲、扭轉(zhuǎn)、伸長(zhǎng)和收縮等。章魚的觸手能夠根據(jù)不同的任務(wù)需求,快速地改變自身的剛度。在抓取獵物時(shí),觸手會(huì)增加剛度,以確保能夠牢固地抓住獵物;而在進(jìn)行探索或躲避障礙物時(shí),觸手會(huì)降低剛度,使其更加靈活,便于在復(fù)雜的環(huán)境中移動(dòng)。這種剛度調(diào)節(jié)機(jī)制是通過肌肉的拮抗作用實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)縱向肌肉收縮時(shí),橫向肌肉舒張,觸手會(huì)變細(xì)變長(zhǎng),剛度降低;反之,當(dāng)橫向肌肉收縮,縱向肌肉舒張時(shí),觸手會(huì)變粗變短,剛度增加。章魚觸手的這些特點(diǎn)啟示我們,在設(shè)計(jì)主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)時(shí),可以采用類似的肌肉分布和控制方式,通過多組肌肉或驅(qū)動(dòng)裝置的協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的靈活運(yùn)動(dòng)和剛度調(diào)節(jié)??梢允褂眯螤钣洃浐辖鸾z或液壓/氣壓驅(qū)動(dòng)器來模擬肌肉的收縮和舒張,通過控制這些驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào),實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的精確調(diào)節(jié)。大象的鼻子也是一種極具特色的柔性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。大象的鼻子由大量的肌肉和結(jié)締組織組成,具有強(qiáng)大的力量和高度的靈活性。它可以完成各種復(fù)雜的任務(wù),如抓取物體、搬運(yùn)重物、噴水等。大象鼻子的剛度調(diào)節(jié)機(jī)制與章魚觸手有所不同,它主要通過改變肌肉的緊張程度和鼻子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)大象需要抓取較輕的物體時(shí),鼻子的肌肉會(huì)相對(duì)放松,使鼻子更加柔軟靈活,便于精確地操作物體;而當(dāng)需要搬運(yùn)較重的物體時(shí),鼻子的肌肉會(huì)收縮,增加鼻子的剛度和力量,以確保能夠穩(wěn)定地搬運(yùn)重物。此外,大象鼻子內(nèi)部的肌肉和結(jié)締組織的排列方式也有助于其剛度的調(diào)節(jié)。在不同的任務(wù)狀態(tài)下,鼻子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,從而改變鼻子的整體剛度。從大象鼻子的結(jié)構(gòu)和功能中,我們可以得到啟示,在設(shè)計(jì)主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)時(shí),可以優(yōu)化關(guān)節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何形狀或材料分布,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)??梢栽O(shè)計(jì)一種可變形的內(nèi)部結(jié)構(gòu),在不同的受力狀態(tài)下,內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠自動(dòng)調(diào)整,從而改變關(guān)節(jié)的剛度。還可以利用智能材料,如電/磁流變液等,填充在關(guān)節(jié)內(nèi)部,通過外部電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用,改變材料的流變特性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)。這些生物柔性關(guān)節(jié)的特點(diǎn)和剛度調(diào)節(jié)機(jī)制,為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的仿生設(shè)計(jì)提供了寶貴的借鑒。通過深入研究和模仿這些生物關(guān)節(jié),有望開發(fā)出具有更高性能和適應(yīng)性的主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié),推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。2.2仿生學(xué)在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用思路2.2.1模仿生物結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)柔性與變剛度模仿生物結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的重要途徑,通過借鑒生物關(guān)節(jié)中肌肉-肌腱等結(jié)構(gòu)的組合方式,能夠?yàn)殛P(guān)節(jié)賦予獨(dú)特的柔性與變剛度特性。在生物界中,肌肉-肌腱結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出了卓越的能量存儲(chǔ)和力傳遞能力。以人類的手臂為例,手臂的肌肉通過肌腱與骨骼相連,在運(yùn)動(dòng)過程中,肌肉收縮產(chǎn)生的力通過肌腱傳遞到骨骼,實(shí)現(xiàn)手臂的運(yùn)動(dòng)。肌肉具有良好的柔韌性和收縮性,能夠根據(jù)運(yùn)動(dòng)需求產(chǎn)生不同大小的力;肌腱則具有較高的強(qiáng)度和一定的彈性,在傳遞力的過程中可以起到緩沖和存儲(chǔ)能量的作用。當(dāng)手臂進(jìn)行快速揮動(dòng)手臂的動(dòng)作時(shí),肌肉迅速收縮,產(chǎn)生較大的力量,肌腱則將這些力量傳遞到骨骼,驅(qū)動(dòng)手臂快速運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中,肌腱的彈性可以存儲(chǔ)部分能量,當(dāng)肌肉放松時(shí),肌腱釋放存儲(chǔ)的能量,幫助手臂完成下一個(gè)動(dòng)作,從而提高運(yùn)動(dòng)的效率。在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中,可以采用類似肌肉-肌腱的彈性元件組合。使用彈簧、橡膠等彈性材料作為關(guān)節(jié)的彈性元件,類似于肌腱的作用,在傳遞力的同時(shí),能夠存儲(chǔ)和釋放能量。將彈簧串聯(lián)在關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置和輸出部件之間,當(dāng)關(guān)節(jié)受到外力作用時(shí),彈簧會(huì)發(fā)生變形,存儲(chǔ)能量;當(dāng)外力消失后,彈簧釋放能量,使關(guān)節(jié)恢復(fù)到原來的狀態(tài)。通過調(diào)整彈簧的剛度和預(yù)緊力,可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)。當(dāng)需要較高的關(guān)節(jié)剛度時(shí),可以增加彈簧的剛度或預(yù)緊力,使關(guān)節(jié)更加穩(wěn)定;當(dāng)需要較低的關(guān)節(jié)剛度時(shí),可以減小彈簧的剛度或預(yù)緊力,使關(guān)節(jié)更加靈活。還可以模仿肌肉的結(jié)構(gòu),采用多組彈性元件協(xié)同工作的方式。章魚的觸手由多層肌肉組成,通過這些肌肉的協(xié)同收縮和舒張,觸手可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和剛度調(diào)節(jié)。在設(shè)計(jì)主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)時(shí),可以設(shè)置多組彈性元件,每組彈性元件分別由不同的驅(qū)動(dòng)裝置控制。在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中,通過控制不同組彈性元件的伸縮程度和力的大小,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的靈活運(yùn)動(dòng)和剛度調(diào)節(jié)。當(dāng)關(guān)節(jié)需要進(jìn)行彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí),可以控制一組彈性元件收縮,另一組彈性元件舒張,使關(guān)節(jié)產(chǎn)生彎曲變形;當(dāng)需要調(diào)整關(guān)節(jié)的剛度時(shí),可以同時(shí)控制多組彈性元件的伸縮程度,改變關(guān)節(jié)的整體剛度。模仿生物結(jié)構(gòu)中的一些特殊構(gòu)造,也能為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)提供幫助。大象鼻子內(nèi)部的肌肉和結(jié)締組織呈特殊的排列方式,這種結(jié)構(gòu)有助于其在不同任務(wù)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)。在設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)時(shí),可以借鑒這種結(jié)構(gòu),優(yōu)化關(guān)節(jié)內(nèi)部的材料分布和幾何形狀,使其在受力時(shí)能夠自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu),從而改變關(guān)節(jié)的剛度。設(shè)計(jì)一種內(nèi)部含有可變形結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié),當(dāng)關(guān)節(jié)受到外力作用時(shí),內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形,改變關(guān)節(jié)的受力分布,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)。通過模仿生物結(jié)構(gòu),采用類似肌肉-肌腱的彈性元件組合以及優(yōu)化關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方式,可以為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)賦予更好的柔性和變剛度性能,使其能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境和任務(wù)需求。2.2.2借鑒生物控制方式實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)節(jié)生物神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)關(guān)節(jié)的精確控制機(jī)制為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的主動(dòng)調(diào)節(jié)提供了寶貴的借鑒。以人類的神經(jīng)系統(tǒng)為例,當(dāng)人體進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)時(shí),神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況,并根據(jù)這些信息發(fā)送相應(yīng)的信號(hào),精確地調(diào)節(jié)肌肉的收縮和舒張,從而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和剛度調(diào)節(jié)。在人類行走過程中,神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)地面的情況、行走的速度和姿勢(shì)等因素,不斷調(diào)整腿部關(guān)節(jié)的剛度。當(dāng)行走在平坦的地面上時(shí),關(guān)節(jié)剛度相對(duì)較低,以保證行走的靈活性和舒適性;而當(dāng)遇到障礙物需要跨越時(shí),神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)立即增加關(guān)節(jié)的剛度,使腿部能夠承受更大的力量,確保安全跨越障礙物。在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)中,可以引入傳感器來模擬生物的感知功能,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況。使用力傳感器來測(cè)量關(guān)節(jié)所受到的外力大小和方向,通過位移傳感器來檢測(cè)關(guān)節(jié)的位置和角度變化。將這些傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸給控制器,控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和控制策略,對(duì)關(guān)節(jié)的剛度進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)力傳感器檢測(cè)到關(guān)節(jié)受到的外力超過一定閾值時(shí),控制器可以通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)裝置的輸出,增加關(guān)節(jié)的剛度,以提高關(guān)節(jié)的承載能力;當(dāng)位移傳感器檢測(cè)到關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度過快或位置偏差較大時(shí),控制器可以相應(yīng)地調(diào)整關(guān)節(jié)的剛度,使其更加穩(wěn)定。借鑒生物神經(jīng)系統(tǒng)的反饋控制原理,建立關(guān)節(jié)剛度的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在生物系統(tǒng)中,神經(jīng)系統(tǒng)通過接收關(guān)節(jié)的反饋信息,不斷調(diào)整控制信號(hào),以實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)的精確控制。在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的控制系統(tǒng)中,也可以將關(guān)節(jié)的實(shí)際剛度值作為反饋信號(hào),與預(yù)設(shè)的剛度目標(biāo)值進(jìn)行比較。如果實(shí)際剛度值與目標(biāo)值存在偏差,控制器會(huì)根據(jù)偏差的大小和方向,調(diào)整驅(qū)動(dòng)裝置的輸入信號(hào),使關(guān)節(jié)的實(shí)際剛度逐漸接近目標(biāo)值。通過這種閉環(huán)控制方式,可以提高關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)的精度和穩(wěn)定性,使其能夠更好地適應(yīng)不同的工作任務(wù)和環(huán)境變化。生物神經(jīng)系統(tǒng)還具有學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力,能夠根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和新的環(huán)境信息,不斷優(yōu)化對(duì)關(guān)節(jié)的控制策略。在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的控制中,可以引入人工智能算法,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等,使關(guān)節(jié)具有一定的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過對(duì)大量的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和控制信號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí),建立起關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與控制策略之間的映射關(guān)系。當(dāng)關(guān)節(jié)遇到新的工作任務(wù)或環(huán)境變化時(shí),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)已學(xué)習(xí)到的知識(shí),自動(dòng)調(diào)整控制策略,實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)剛度的優(yōu)化調(diào)節(jié)。強(qiáng)化學(xué)習(xí)則可以讓關(guān)節(jié)在與環(huán)境的交互過程中,通過不斷嘗試不同的控制策略,并根據(jù)獲得的獎(jiǎng)勵(lì)反饋,逐漸找到最優(yōu)的控制策略,從而提高關(guān)節(jié)的性能和適應(yīng)性。通過借鑒生物神經(jīng)系統(tǒng)的控制方式,引入傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),建立閉環(huán)控制系統(tǒng),并運(yùn)用人工智能算法賦予關(guān)節(jié)學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力,可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的精確主動(dòng)調(diào)節(jié),使其在復(fù)雜的工作場(chǎng)景中表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能。三、主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的仿生設(shè)計(jì)原理3.1基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1關(guān)鍵部件組成與功能主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)主要由彈性元件、驅(qū)動(dòng)裝置、連接結(jié)構(gòu)以及傳感器與控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件組成,各部件相互協(xié)作,共同實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的柔性與變剛度功能。彈性元件是實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)柔性和能量存儲(chǔ)的核心部件,其性能直接影響關(guān)節(jié)的柔順性和緩沖能力。常見的彈性元件包括彈簧、橡膠、氣/液彈簧等。彈簧具有良好的彈性和穩(wěn)定性,能夠在受力時(shí)發(fā)生彈性變形,存儲(chǔ)能量,并在力消失后恢復(fù)原狀。在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)中,彈簧可以串聯(lián)或并聯(lián)在關(guān)節(jié)的傳動(dòng)路徑上,起到緩沖和調(diào)節(jié)剛度的作用。橡膠則具有較高的阻尼特性,能夠有效地吸收沖擊能量,減少振動(dòng)和噪聲。將橡膠材料應(yīng)用于關(guān)節(jié)的彈性元件,可以提高關(guān)節(jié)在沖擊環(huán)境下的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。氣/液彈簧利用氣體或液體的可壓縮性來實(shí)現(xiàn)彈性變形,其剛度可以通過調(diào)節(jié)氣體或液體的壓力來改變。在一些對(duì)剛度調(diào)節(jié)范圍要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中,氣/液彈簧能夠提供更靈活的剛度調(diào)節(jié)方式。驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)責(zé)為關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和剛度調(diào)節(jié)提供動(dòng)力,其類型和性能決定了關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度、精度和負(fù)載能力。常見的驅(qū)動(dòng)裝置包括電機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)器、氣壓驅(qū)動(dòng)器等。電機(jī)是最常用的驅(qū)動(dòng)裝置之一,具有控制精度高、響應(yīng)速度快、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)。直流電機(jī)通過調(diào)節(jié)電流大小和方向,可以精確控制輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速;步進(jìn)電機(jī)則可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移,實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。液壓驅(qū)動(dòng)器利用液體的壓力來傳遞動(dòng)力,具有輸出力大、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。在需要驅(qū)動(dòng)大負(fù)載的關(guān)節(jié)中,液壓驅(qū)動(dòng)器能夠提供足夠的動(dòng)力,保證關(guān)節(jié)的正常運(yùn)行。氣壓驅(qū)動(dòng)器則以氣體為工作介質(zhì),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)。在一些對(duì)重量和體積要求較高的場(chǎng)合,氣壓驅(qū)動(dòng)器可以滿足關(guān)節(jié)的輕量化和小型化需求。連接結(jié)構(gòu)用于將各個(gè)部件連接在一起,保證關(guān)節(jié)的整體性和穩(wěn)定性。連接結(jié)構(gòu)需要具備足夠的強(qiáng)度和剛度,以承受關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中所受到的各種力和力矩。同時(shí),連接結(jié)構(gòu)還應(yīng)具有良好的裝配工藝性和可維護(hù)性,方便關(guān)節(jié)的組裝、調(diào)試和維修。常見的連接方式包括螺栓連接、焊接、鉚接等。螺栓連接具有連接可靠、拆卸方便的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械結(jié)構(gòu)中。在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)中,螺栓連接可以用于連接關(guān)節(jié)的外殼、支架、驅(qū)動(dòng)裝置等部件。焊接則可以實(shí)現(xiàn)部件之間的永久性連接,具有較高的強(qiáng)度和密封性。對(duì)于一些對(duì)結(jié)構(gòu)整體性要求較高的部件,如關(guān)節(jié)的框架和外殼,可以采用焊接的方式進(jìn)行連接。鉚接則適用于連接一些薄板材料或?qū)B接強(qiáng)度要求不太高的場(chǎng)合。傳感器與控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)主動(dòng)變剛度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵部分,通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況,根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略對(duì)關(guān)節(jié)的剛度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。傳感器主要包括力傳感器、位移傳感器、角度傳感器等。力傳感器用于測(cè)量關(guān)節(jié)所受到的外力大小和方向,為剛度調(diào)節(jié)提供力反饋信號(hào)。位移傳感器和角度傳感器則用于檢測(cè)關(guān)節(jié)的位置和角度變化,以便控制系統(tǒng)準(zhǔn)確掌握關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。控制系統(tǒng)通常由控制器、驅(qū)動(dòng)器和通信模塊等組成。控制器根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù),運(yùn)用預(yù)設(shè)的控制算法計(jì)算出需要調(diào)節(jié)的剛度值,并向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)。通信模塊則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與上位機(jī)或其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信,以便對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。這些關(guān)鍵部件相互配合,使得主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的柔性和變剛度性能,為機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的高效、安全運(yùn)行提供了有力保障。3.1.2整體構(gòu)型設(shè)計(jì)思路主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的整體構(gòu)型設(shè)計(jì)旨在融合各關(guān)鍵部件,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的高效運(yùn)動(dòng)和靈活變剛度功能,同時(shí)滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)關(guān)節(jié)性能的要求。在設(shè)計(jì)過程中,需要充分考慮生物關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理,借鑒其優(yōu)勢(shì),優(yōu)化關(guān)節(jié)的構(gòu)型。從仿生學(xué)角度出發(fā),模仿生物關(guān)節(jié)的緊湊布局和多自由度運(yùn)動(dòng)特性是設(shè)計(jì)的重要方向。例如,人類的膝關(guān)節(jié)由股骨、脛骨、髕骨以及周圍的肌肉、肌腱和韌帶等組成,結(jié)構(gòu)緊湊且能夠?qū)崿F(xiàn)屈伸、旋轉(zhuǎn)等多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的構(gòu)型設(shè)計(jì)中,可以采用類似的多連桿結(jié)構(gòu),通過合理布置彈性元件和驅(qū)動(dòng)裝置,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的多自由度運(yùn)動(dòng)和剛度調(diào)節(jié)。將彈性元件分布在關(guān)節(jié)的不同部位,使其在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠根據(jù)受力情況自動(dòng)調(diào)整剛度,提供合適的緩沖和支撐。利用多個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)在不同方向上的精確運(yùn)動(dòng)控制,提高關(guān)節(jié)的靈活性和適應(yīng)性。為了實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的變剛度功能,需要巧妙地設(shè)計(jì)彈性元件和驅(qū)動(dòng)裝置的組合方式。一種常見的設(shè)計(jì)思路是采用可變長(zhǎng)度的彈性元件,通過驅(qū)動(dòng)裝置改變彈性元件的預(yù)緊力或有效長(zhǎng)度,從而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)。利用滾珠絲杠機(jī)構(gòu)或蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu),將驅(qū)動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng),進(jìn)而調(diào)整彈性元件的長(zhǎng)度。當(dāng)需要增加關(guān)節(jié)剛度時(shí),驅(qū)動(dòng)裝置使彈性元件伸長(zhǎng)或增加預(yù)緊力,提高關(guān)節(jié)的抵抗變形能力;當(dāng)需要降低關(guān)節(jié)剛度時(shí),驅(qū)動(dòng)裝置使彈性元件縮短或減小預(yù)緊力,使關(guān)節(jié)更加柔順。還可以采用多個(gè)不同剛度的彈性元件組合,通過切換不同的彈性元件工作狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的分級(jí)調(diào)節(jié)。在關(guān)節(jié)需要高精度操作時(shí),啟用高剛度的彈性元件,保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性;在關(guān)節(jié)需要快速運(yùn)動(dòng)或適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境時(shí),切換到低剛度的彈性元件,提高關(guān)節(jié)的靈活性。連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是整體構(gòu)型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。連接結(jié)構(gòu)不僅要保證各部件之間的牢固連接,還要盡量減少結(jié)構(gòu)的重量和體積,提高關(guān)節(jié)的緊湊性。采用一體化的設(shè)計(jì)理念,將多個(gè)部件集成在一個(gè)整體結(jié)構(gòu)中,減少連接部件的數(shù)量,降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和重量。利用先進(jìn)的材料和制造工藝,如3D打印技術(shù),可以制造出形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)緊湊的連接部件,進(jìn)一步優(yōu)化關(guān)節(jié)的整體構(gòu)型。在連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,還需要考慮關(guān)節(jié)的裝配和維護(hù)便利性,設(shè)計(jì)合理的拆卸和安裝方式,以便在關(guān)節(jié)出現(xiàn)故障時(shí)能夠快速進(jìn)行維修和更換部件。傳感器與控制系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的主動(dòng)變剛度調(diào)節(jié)至關(guān)重要。將傳感器巧妙地布置在關(guān)節(jié)的關(guān)鍵部位,使其能夠準(zhǔn)確地感知關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況。將力傳感器安裝在彈性元件或連接部件上,實(shí)時(shí)測(cè)量關(guān)節(jié)所受到的外力;將位移傳感器和角度傳感器安裝在關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸或運(yùn)動(dòng)部件上,精確檢測(cè)關(guān)節(jié)的位置和角度變化??刂葡到y(tǒng)則采用模塊化設(shè)計(jì),便于根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行功能擴(kuò)展和升級(jí)。將控制器、驅(qū)動(dòng)器和通信模塊集成在一個(gè)小型的電路板上,減少系統(tǒng)的體積和重量,提高系統(tǒng)的可靠性和響應(yīng)速度。通過無線通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與上位機(jī)或其他設(shè)備之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和控制,使關(guān)節(jié)能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的工作環(huán)境和任務(wù)需求。主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的整體構(gòu)型設(shè)計(jì)需要綜合考慮仿生學(xué)原理、彈性元件與驅(qū)動(dòng)裝置的組合、連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及傳感器與控制系統(tǒng)的集成等多個(gè)方面,以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)性能的最優(yōu)化,滿足機(jī)器人在不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。3.2剛度調(diào)節(jié)原理3.2.1基于材料特性的剛度調(diào)節(jié)基于材料特性的剛度調(diào)節(jié)是主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)變剛度功能的重要途徑之一,主要通過利用材料的彈性模量變化以及形狀記憶效應(yīng)等特性來實(shí)現(xiàn)。材料的彈性模量是衡量材料抵抗彈性變形能力的重要指標(biāo),某些智能材料能夠在外部刺激下發(fā)生彈性模量的顯著變化,從而為關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)提供了可能。電/磁流變液就是一類典型的智能材料,其流變特性能夠在外加電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下迅速改變。當(dāng)電/磁流變液處于無外加場(chǎng)的狀態(tài)時(shí),其內(nèi)部的顆粒呈無序分布,材料表現(xiàn)出較低的粘度和剛度,類似于液體的狀態(tài);而當(dāng)施加電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí),內(nèi)部顆粒會(huì)迅速排列成鏈狀結(jié)構(gòu),材料的粘度和剛度急劇增加,呈現(xiàn)出類似固體的特性。在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)中,可以將電/磁流變液作為關(guān)節(jié)的填充材料或彈性元件的組成部分。在關(guān)節(jié)需要較高剛度時(shí),通過施加適當(dāng)強(qiáng)度的電場(chǎng)或磁場(chǎng),使電/磁流變液的剛度增大,從而提高關(guān)節(jié)的整體剛度;當(dāng)關(guān)節(jié)需要較低剛度以實(shí)現(xiàn)更靈活的運(yùn)動(dòng)時(shí),減小或撤銷外加場(chǎng),電/磁流變液恢復(fù)到低剛度狀態(tài),關(guān)節(jié)的剛度也隨之降低。這種基于電/磁流變液的剛度調(diào)節(jié)方式具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點(diǎn),能夠使關(guān)節(jié)在不同的工作任務(wù)和環(huán)境下快速適應(yīng)剛度需求的變化。形狀記憶合金也是一種具有獨(dú)特特性的材料,能夠在溫度變化時(shí)發(fā)生形狀變化,同時(shí)伴隨著剛度的改變,這一特性被廣泛應(yīng)用于主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中。形狀記憶合金具有兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)相,即奧氏體相和馬氏體相。在高溫下,合金處于奧氏體相,具有較高的剛度和形狀穩(wěn)定性;當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí),合金會(huì)發(fā)生相變,轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相,此時(shí)合金的剛度降低,并且能夠在受力時(shí)發(fā)生較大的變形。當(dāng)溫度再次升高時(shí),合金會(huì)從馬氏體相轉(zhuǎn)變回奧氏體相,恢復(fù)到原來的形狀和較高的剛度。在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)中,可以利用形狀記憶合金的這種特性來實(shí)現(xiàn)剛度調(diào)節(jié)。將形狀記憶合金絲作為關(guān)節(jié)的彈性元件或驅(qū)動(dòng)元件,通過控制溫度來改變其相態(tài),進(jìn)而調(diào)整關(guān)節(jié)的剛度。在關(guān)節(jié)需要高剛度時(shí),加熱形狀記憶合金絲使其處于奧氏體相,提高關(guān)節(jié)的剛度;當(dāng)需要低剛度時(shí),降低溫度使合金轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相,關(guān)節(jié)剛度隨之降低。這種基于形狀記憶合金的剛度調(diào)節(jié)方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)可靠等優(yōu)點(diǎn),但也存在響應(yīng)速度相對(duì)較慢、能耗較高等問題,需要在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化。還有一些材料具有其他特殊的性能,如壓電材料在受到電場(chǎng)作用時(shí)會(huì)發(fā)生微小的形變,這種形變可以通過合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)剛度的變化。通過將壓電材料與彈性元件相結(jié)合,當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí),壓電材料的形變會(huì)改變彈性元件的受力狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)。一些具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的材料,如納米復(fù)合材料,其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)在外部力場(chǎng)或溫度場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致材料宏觀剛度的改變。這些基于材料特性的剛度調(diào)節(jié)原理為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)提供了豐富的選擇,研究人員可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求和性能要求,選擇合適的材料和調(diào)節(jié)方式,以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)性能的最優(yōu)化。3.2.2基于結(jié)構(gòu)變化的剛度調(diào)節(jié)基于結(jié)構(gòu)變化的剛度調(diào)節(jié)是主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)剛度靈活調(diào)整的另一種重要方式,主要通過改變關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu),如彈性元件的長(zhǎng)度、角度等參數(shù),來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的有效調(diào)節(jié)。改變彈性元件的長(zhǎng)度是一種常見且有效的結(jié)構(gòu)變化方式。在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)中,通常采用一些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)彈性元件長(zhǎng)度的調(diào)整。滾珠絲杠機(jī)構(gòu)是一種常用的傳動(dòng)方式,它由螺桿、螺母和滾珠組成。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí),螺母會(huì)沿著螺桿的軸向移動(dòng),通過將彈性元件與螺母相連,就可以實(shí)現(xiàn)彈性元件長(zhǎng)度的精確調(diào)節(jié)。以彈簧作為彈性元件為例,當(dāng)螺母移動(dòng)時(shí),彈簧會(huì)被拉伸或壓縮,其彈性勢(shì)能發(fā)生變化,從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)剛度的改變。根據(jù)胡克定律,彈簧的彈力F與彈簧的伸長(zhǎng)量x成正比,即F=kx,其中k為彈簧的剛度系數(shù)。當(dāng)彈簧被拉伸時(shí),伸長(zhǎng)量x增大,在彈簧剛度系數(shù)k不變的情況下,彈簧所提供的彈力增大,關(guān)節(jié)抵抗變形的能力增強(qiáng),剛度提高;反之,當(dāng)彈簧被壓縮時(shí),伸長(zhǎng)量x減小,彈力減小,關(guān)節(jié)剛度降低。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)也可用于調(diào)節(jié)彈性元件的長(zhǎng)度。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)比大、自鎖性能好等優(yōu)點(diǎn),通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與蝸輪相連的彈性元件長(zhǎng)度的調(diào)整。這種通過改變彈性元件長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)剛度的方式,具有調(diào)節(jié)精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足許多對(duì)剛度調(diào)節(jié)精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。改變彈性元件的角度也是實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)的有效途徑。通過一些特殊的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),可以使彈性元件在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中改變其與關(guān)節(jié)軸線或其他部件的夾角,從而改變關(guān)節(jié)的剛度。采用連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)彈性元件角度的調(diào)整。連桿機(jī)構(gòu)由多個(gè)桿件通過鉸鏈連接而成,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)中,將彈性元件安裝在連桿機(jī)構(gòu)的某個(gè)桿件上,通過控制連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),使彈性元件的角度發(fā)生變化。當(dāng)彈性元件與關(guān)節(jié)軸線的夾角增大時(shí),其在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向上的分力增大,關(guān)節(jié)抵抗變形的能力增強(qiáng),剛度提高;反之,當(dāng)夾角減小時(shí),分力減小,關(guān)節(jié)剛度降低。還可以利用凸輪機(jī)構(gòu)來改變彈性元件的角度。凸輪機(jī)構(gòu)由凸輪、從動(dòng)件和機(jī)架組成,凸輪的輪廓曲線決定了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。將彈性元件與從動(dòng)件相連,當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),從動(dòng)件會(huì)按照凸輪的輪廓曲線運(yùn)動(dòng),從而使彈性元件的角度發(fā)生相應(yīng)的變化,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)。這種基于改變彈性元件角度的剛度調(diào)節(jié)方式,能夠在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)調(diào)整剛度,具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,適用于一些需要快速適應(yīng)不同工作條件的應(yīng)用場(chǎng)景。通過改變關(guān)節(jié)內(nèi)部的其他結(jié)構(gòu)參數(shù),如彈性元件的預(yù)緊力、彈性元件的組合方式等,也可以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)。調(diào)整彈性元件的預(yù)緊力可以改變其初始的受力狀態(tài),從而影響關(guān)節(jié)的剛度。增加彈性元件的預(yù)緊力會(huì)使關(guān)節(jié)在初始狀態(tài)下就具有較高的抵抗變形能力,剛度增大;減小預(yù)緊力則會(huì)降低關(guān)節(jié)的初始剛度。采用不同剛度的彈性元件組合,并通過切換不同的組合方式,也能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的分級(jí)調(diào)節(jié)。在關(guān)節(jié)需要高精度操作時(shí),選擇高剛度的彈性元件組合,保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性;在關(guān)節(jié)需要快速運(yùn)動(dòng)或適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境時(shí),切換到低剛度的彈性元件組合,提高關(guān)節(jié)的靈活性?;诮Y(jié)構(gòu)變化的剛度調(diào)節(jié)方式具有多種實(shí)現(xiàn)途徑,能夠根據(jù)不同的應(yīng)用需求和關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)特點(diǎn),選擇合適的方式來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的靈活調(diào)節(jié),為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)在各種復(fù)雜工況下的應(yīng)用提供了有力的支持。3.3主動(dòng)控制原理3.3.1傳感器系統(tǒng)與信號(hào)采集主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的主動(dòng)控制依賴于精確的傳感器系統(tǒng),通過多種傳感器實(shí)時(shí)采集關(guān)節(jié)的狀態(tài)信號(hào),為后續(xù)的控制決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。力傳感器是監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)受力情況的關(guān)鍵傳感器之一,常見的力傳感器類型包括電阻應(yīng)變片式力傳感器、壓電式力傳感器等。電阻應(yīng)變片式力傳感器利用金屬或半導(dǎo)體材料在受力時(shí)電阻發(fā)生變化的原理來測(cè)量力的大小。將電阻應(yīng)變片粘貼在關(guān)節(jié)的關(guān)鍵受力部位,如彈性元件或連接部件上,當(dāng)關(guān)節(jié)受到外力作用時(shí),這些部位會(huì)產(chǎn)生微小的形變,導(dǎo)致電阻應(yīng)變片的電阻值發(fā)生改變。通過測(cè)量電阻值的變化,并根據(jù)事先標(biāo)定的電阻-力關(guān)系曲線,就可以計(jì)算出關(guān)節(jié)所受到的外力大小和方向。壓電式力傳感器則是基于壓電效應(yīng)工作,某些壓電材料在受到外力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷量的變化,電荷量與外力大小成正比。將壓電材料制成傳感器元件,并安裝在關(guān)節(jié)的受力點(diǎn)處,當(dāng)關(guān)節(jié)受力時(shí),壓電材料產(chǎn)生的電荷量被檢測(cè)和轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),經(jīng)過放大和處理后,即可得到關(guān)節(jié)所受外力的信息。力傳感器的安裝位置通常選擇在能夠直接反映關(guān)節(jié)受力的部位,以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。在采用彈簧作為彈性元件的關(guān)節(jié)中,將力傳感器安裝在彈簧的兩端,能夠精確測(cè)量彈簧所承受的力,從而間接獲取關(guān)節(jié)的受力狀態(tài)。位移傳感器用于檢測(cè)關(guān)節(jié)的位置和運(yùn)動(dòng)位移,常見的位移傳感器有線性位移傳感器和角度位移傳感器。線性位移傳感器可用于測(cè)量關(guān)節(jié)中某些部件的直線位移,如在通過改變彈性元件長(zhǎng)度來調(diào)節(jié)剛度的關(guān)節(jié)中,使用線性位移傳感器測(cè)量彈性元件的伸縮量,以確定關(guān)節(jié)的剛度狀態(tài)。線性電位器式位移傳感器通過滑動(dòng)觸點(diǎn)在電阻元件上的移動(dòng),改變電阻值,從而輸出與位移成正比的電壓信號(hào)。角度位移傳感器則主要用于測(cè)量關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,如光電編碼器就是一種常用的角度位移傳感器。光電編碼器通過碼盤和光電檢測(cè)裝置,將關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào),通過對(duì)脈沖數(shù)的計(jì)數(shù)和處理,可以精確計(jì)算出關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)中,角度位移傳感器通常安裝在關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,為控制算法提供重要的位置信息。除了力傳感器和位移傳感器,還可以根據(jù)需要安裝其他類型的傳感器,如加速度傳感器用于測(cè)量關(guān)節(jié)的加速度,溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)在工作過程中的溫度變化等。加速度傳感器能夠檢測(cè)關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中的加速度變化,對(duì)于分析關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性具有重要意義。在機(jī)器人進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng)或受到?jīng)_擊時(shí),加速度傳感器可以及時(shí)捕捉到關(guān)節(jié)的加速度變化,為控制算法提供實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)信息,以便及時(shí)調(diào)整關(guān)節(jié)的剛度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。溫度傳感器則可以監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)內(nèi)部關(guān)鍵部件,如電機(jī)、彈性元件等的溫度,防止因溫度過高導(dǎo)致部件性能下降或損壞。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度超過設(shè)定的閾值時(shí),控制系統(tǒng)可以采取相應(yīng)的措施,如降低關(guān)節(jié)的工作負(fù)荷、增加散熱措施等,以保證關(guān)節(jié)的正常運(yùn)行。這些傳感器采集到的信號(hào)通常是模擬信號(hào),需要經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理,將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后,再傳輸給控制器。信號(hào)調(diào)理電路可以去除信號(hào)中的噪聲和干擾,提高信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。模數(shù)轉(zhuǎn)換則將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),便于控制器進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理和運(yùn)算。通過傳感器系統(tǒng)對(duì)關(guān)節(jié)狀態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和準(zhǔn)確處理,為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的主動(dòng)控制提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),使關(guān)節(jié)能夠根據(jù)實(shí)際工作情況快速、準(zhǔn)確地調(diào)整剛度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài),以適應(yīng)不同的任務(wù)需求和工作環(huán)境。3.3.2控制算法與驅(qū)動(dòng)機(jī)制主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的控制算法是實(shí)現(xiàn)其主動(dòng)控制的核心,它根據(jù)傳感器采集到的關(guān)節(jié)狀態(tài)信號(hào),計(jì)算出合適的控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的精確調(diào)節(jié)。常見的控制算法包括PID控制、模糊控制等,每種算法都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。PID控制是一種經(jīng)典的控制算法,在主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的控制中應(yīng)用廣泛。PID控制器由比例(P)、積分(I)和微分(D)三個(gè)環(huán)節(jié)組成。比例環(huán)節(jié)的作用是根據(jù)關(guān)節(jié)當(dāng)前狀態(tài)信號(hào)與預(yù)設(shè)目標(biāo)值之間的偏差,成比例地輸出控制信號(hào),偏差越大,控制信號(hào)越強(qiáng)。當(dāng)關(guān)節(jié)的實(shí)際剛度低于目標(biāo)剛度時(shí),比例環(huán)節(jié)會(huì)輸出一個(gè)較大的控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置增加關(guān)節(jié)的剛度;反之,當(dāng)實(shí)際剛度高于目標(biāo)剛度時(shí),比例環(huán)節(jié)會(huì)減小控制信號(hào),使關(guān)節(jié)剛度降低。積分環(huán)節(jié)主要用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,它對(duì)偏差進(jìn)行積分運(yùn)算,隨著時(shí)間的積累,積分項(xiàng)的值會(huì)逐漸增大,從而使控制器能夠?qū)ξ⑿〉钠钸M(jìn)行持續(xù)的調(diào)整,最終使關(guān)節(jié)的狀態(tài)達(dá)到目標(biāo)值。在關(guān)節(jié)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中,由于各種干擾因素的影響,可能會(huì)出現(xiàn)微小的偏差,積分環(huán)節(jié)可以通過不斷積累偏差,逐漸調(diào)整控制信號(hào),使關(guān)節(jié)剛度穩(wěn)定在目標(biāo)值附近。微分環(huán)節(jié)則根據(jù)偏差的變化率來調(diào)整控制信號(hào),它能夠預(yù)測(cè)偏差的變化趨勢(shì),提前對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)整,從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。當(dāng)關(guān)節(jié)剛度的變化速度過快時(shí),微分環(huán)節(jié)會(huì)輸出一個(gè)反向的控制信號(hào),抑制剛度的快速變化,使關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。通過合理調(diào)整PID控制器的三個(gè)參數(shù)(比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)Td),可以使主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)在不同的工作條件下都能實(shí)現(xiàn)較為精確的剛度控制。在一些對(duì)控制精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中,如機(jī)器人進(jìn)行精密裝配任務(wù)時(shí),通過優(yōu)化PID參數(shù),能夠使關(guān)節(jié)剛度快速、準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)值,保證裝配的精度和質(zhì)量。模糊控制是一種基于模糊邏輯的智能控制算法,它不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型,而是通過模糊規(guī)則來描述輸入與輸出之間的關(guān)系,對(duì)于主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)這種復(fù)雜的非線性系統(tǒng)具有較好的適應(yīng)性。在模糊控制中,首先需要將傳感器采集到的關(guān)節(jié)狀態(tài)信號(hào)(如力、位移、角度等)進(jìn)行模糊化處理,將其轉(zhuǎn)換為模糊語(yǔ)言變量,如“大”“中”“小”等。根據(jù)事先制定的模糊規(guī)則庫(kù),這些模糊語(yǔ)言變量被映射為相應(yīng)的控制信號(hào)模糊量。模糊規(guī)則庫(kù)是基于專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的,它描述了在不同的關(guān)節(jié)狀態(tài)下應(yīng)該采取的控制策略。如果關(guān)節(jié)受到的外力較大且運(yùn)動(dòng)速度較快,模糊規(guī)則庫(kù)可能會(huì)指示增加關(guān)節(jié)的剛度,以保證關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。對(duì)模糊控制信號(hào)進(jìn)行解模糊處理,將其轉(zhuǎn)換為具體的控制量,用于驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。解模糊的方法有多種,如最大隸屬度法、重心法等。最大隸屬度法是選擇模糊控制信號(hào)中隸屬度最大的元素作為解模糊后的控制量;重心法則是通過計(jì)算模糊控制信號(hào)的重心來確定解模糊后的控制量。模糊控制算法能夠有效地處理主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)中的不確定性和非線性因素,使關(guān)節(jié)在復(fù)雜的工作環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)靈活、可靠的剛度調(diào)節(jié)。在機(jī)器人與未知環(huán)境進(jìn)行交互時(shí),由于環(huán)境的不確定性,精確的數(shù)學(xué)模型難以建立,此時(shí)模糊控制算法可以根據(jù)關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)狀態(tài)和模糊規(guī)則,快速做出合理的控制決策,調(diào)整關(guān)節(jié)剛度,提高機(jī)器人的適應(yīng)性和安全性。驅(qū)動(dòng)機(jī)制是將控制算法輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵部分。常見的驅(qū)動(dòng)裝置如電機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)器、氣壓驅(qū)動(dòng)器等,會(huì)根據(jù)控制信號(hào)的要求進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)為例,當(dāng)控制器根據(jù)控制算法計(jì)算出需要調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)剛度時(shí),會(huì)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào),控制信號(hào)可以是電壓信號(hào)、脈沖信號(hào)等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)接收到的控制信號(hào),調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。如果需要增加關(guān)節(jié)剛度,電機(jī)驅(qū)動(dòng)器會(huì)控制電機(jī)輸出更大的轉(zhuǎn)矩,通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如滾珠絲杠、蝸輪蝸桿等)調(diào)整彈性元件的預(yù)緊力或長(zhǎng)度,從而提高關(guān)節(jié)的剛度;反之,如果需要降低關(guān)節(jié)剛度,電機(jī)驅(qū)動(dòng)器會(huì)使電機(jī)輸出較小的轉(zhuǎn)矩,使彈性元件放松,關(guān)節(jié)剛度降低。在液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)中,控制信號(hào)會(huì)控制液壓閥或氣壓閥的開度,調(diào)節(jié)液壓油或氣體的流量和壓力,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液壓缸或氣缸動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)。通過精確的控制算法和可靠的驅(qū)動(dòng)機(jī)制,主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)剛度的主動(dòng)、精確調(diào)節(jié),滿足機(jī)器人在不同任務(wù)和環(huán)境下的多樣化需求,為機(jī)器人的高效、安全運(yùn)行提供有力保障。四、主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)實(shí)例分析4.1仿生靈巧手的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)4.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)仿生靈巧手的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧,充分融合了多種創(chuàng)新元素,以實(shí)現(xiàn)高度的靈活性和精確的運(yùn)動(dòng)控制。其核心部件之一是波紋管,在關(guān)節(jié)中起到關(guān)鍵的支撐和保護(hù)作用。波紋管采用高強(qiáng)度、耐腐蝕的材料制成,如不銹鋼或特種工程塑料。以不銹鋼波紋管為例,它具有良好的柔韌性和抗疲勞性能,能夠在頻繁的彎曲和拉伸過程中保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其獨(dú)特的波紋形狀設(shè)計(jì),不僅增加了波紋管的伸縮性,還使其能夠承受一定的壓力和扭矩。在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí),波紋管可以隨著關(guān)節(jié)的彎曲和伸展而自由變形,同時(shí)保護(hù)內(nèi)部的纖維干擾變剛度模塊等關(guān)鍵部件免受外界的沖擊和磨損。纖維干擾變剛度模塊是實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)的核心組件,它巧妙地利用了纖維之間的相互作用來改變關(guān)節(jié)的剛度。該模塊主要由相對(duì)設(shè)置的第一端蓋和第二端蓋組成,在第一端蓋和第二端蓋的內(nèi)側(cè)分別連接有尼龍纖維細(xì)絲組。尼龍纖維細(xì)絲具有高強(qiáng)度、低密度和良好的柔韌性等特點(diǎn),能夠在保證模塊性能的同時(shí),減輕整個(gè)關(guān)節(jié)的重量。兩個(gè)尼龍纖維細(xì)絲組呈半圓柱形且相對(duì)設(shè)置,內(nèi)部的尼龍纖維細(xì)絲均勻布置。當(dāng)關(guān)節(jié)需要改變剛度時(shí),通過控制氣壓使纖維細(xì)絲組之間產(chǎn)生相對(duì)位移和摩擦。當(dāng)向纖維干擾變剛度模塊內(nèi)通入正壓氣體時(shí),尼龍纖維細(xì)絲組會(huì)相互擠壓,增加纖維之間的摩擦力,從而使模塊的剛度增大;反之,當(dāng)通入負(fù)壓氣體時(shí),纖維細(xì)絲組之間的壓力減小,摩擦力降低,模塊剛度減小。為了確保纖維干擾變剛度模塊的正常工作,其外面包裹有一層硅膠薄膜。硅膠薄膜具有良好的柔韌性、密封性和耐磨性,能夠有效地防止灰塵、水分等雜質(zhì)進(jìn)入模塊內(nèi)部,影響纖維之間的相互作用。同時(shí),硅膠薄膜還可以起到緩沖和減震的作用,保護(hù)纖維細(xì)絲組免受外界的沖擊。關(guān)節(jié)的密封和連接結(jié)構(gòu)也經(jīng)過精心設(shè)計(jì)。波紋管的一端通過底板密封,另一端連接有密封端蓋。密封端蓋上開設(shè)有負(fù)壓氣孔和正壓氣孔,分別用于控制纖維干擾變剛度模塊內(nèi)部和外部的氣壓。正壓氣孔的個(gè)數(shù)為兩個(gè),位于負(fù)壓氣孔的兩側(cè)對(duì)稱分布,這種設(shè)計(jì)可以使正壓氣體均勻地作用于纖維干擾變剛度模塊,確保模塊在各個(gè)方向上的剛度變化一致。密封端蓋內(nèi)設(shè)置有端蓋凹槽,第二端蓋間隙配合在端蓋凹槽內(nèi),并通過膠水密封,保證了模塊內(nèi)部的密封性。密封端蓋端部設(shè)置有波紋管連接槽,波紋管端部卡入到波紋管連接槽中并通過膠水密封,進(jìn)一步增強(qiáng)了關(guān)節(jié)的密封性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過這些精細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),仿生靈巧手的關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的運(yùn)動(dòng)和精確的剛度調(diào)節(jié),為靈巧手的多功能操作提供了有力支持。4.1.2剛度調(diào)節(jié)與控制實(shí)現(xiàn)仿生靈巧手關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)主要通過對(duì)纖維干擾變剛度模塊內(nèi)氣壓的精確控制來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要增加關(guān)節(jié)剛度時(shí),控制系統(tǒng)會(huì)向密封端蓋上的正壓氣孔通入一定壓力的氣體。正壓氣體進(jìn)入纖維干擾變剛度模塊與硅膠薄膜之間的空間,使尼龍纖維細(xì)絲組受到向外的壓力。由于尼龍纖維細(xì)絲組的一端固定在端蓋上,另一端可以相對(duì)滑動(dòng),在正壓力的作用下,纖維細(xì)絲之間的摩擦力增大。這種摩擦力的增加使得纖維干擾變剛度模塊的整體剛度提高,從而增強(qiáng)了關(guān)節(jié)抵抗變形的能力,實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)剛度的增加。當(dāng)需要抓取較重的物體時(shí),增加關(guān)節(jié)剛度可以確保靈巧手能夠穩(wěn)定地握住物體,防止物體滑落。相反,當(dāng)需要降低關(guān)節(jié)剛度時(shí),控制系統(tǒng)通過負(fù)壓氣孔將纖維干擾變剛度模塊內(nèi)的氣體抽出,使其內(nèi)部形成負(fù)壓環(huán)境。在負(fù)壓作用下,尼龍纖維細(xì)絲組之間的壓力減小,纖維之間的摩擦力降低。此時(shí),纖維干擾變剛度模塊的剛度減小,關(guān)節(jié)變得更加柔順,能夠?qū)崿F(xiàn)更靈活的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行一些精細(xì)的操作,如抓取易碎物品或進(jìn)行復(fù)雜的裝配任務(wù)時(shí),降低關(guān)節(jié)剛度可以使靈巧手更加輕柔地接觸物體,避免對(duì)物體造成損壞。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)剛度的精確控制,采用了先進(jìn)的控制方法??刂葡到y(tǒng)主要由傳感器、控制器和執(zhí)行器組成。傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況,包括關(guān)節(jié)的角度、角速度、力和力矩等參數(shù)。常用的傳感器有力傳感器、角度傳感器和加速度傳感器等。力傳感器可以安裝在關(guān)節(jié)的關(guān)鍵受力部位,如指骨與關(guān)節(jié)的連接處,實(shí)時(shí)測(cè)量關(guān)節(jié)所受到的外力大小和方向。角度傳感器則可以安裝在關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上,精確檢測(cè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給控制器??刂破魇钦麄€(gè)控制系統(tǒng)的核心,它根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略和傳感器反饋的數(shù)據(jù),計(jì)算出需要調(diào)節(jié)的氣壓值,并向執(zhí)行器發(fā)送控制信號(hào)。控制器通常采用微處理器或可編程邏輯控制器(PLC)。在控制算法方面,常用的有比例-積分-微分(PID)控制算法、模糊控制算法等。PID控制算法通過對(duì)偏差的比例、積分和微分運(yùn)算,實(shí)時(shí)調(diào)整控制信號(hào),使關(guān)節(jié)的剛度能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定值。模糊控制算法則基于模糊邏輯,將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理,根據(jù)事先制定的模糊規(guī)則庫(kù),確定相應(yīng)的控制策略,對(duì)于處理復(fù)雜的非線性系統(tǒng)具有較好的效果。在面對(duì)不同形狀、重量和材質(zhì)的物體時(shí),模糊控制算法可以根據(jù)傳感器反饋的信息,快速調(diào)整關(guān)節(jié)剛度,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的抓取和操作。執(zhí)行器根據(jù)控制器發(fā)送的控制信號(hào),控制氣體的進(jìn)出,實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)。執(zhí)行器通常采用電磁閥或氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。電磁閥可以快速地開啟和關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)氣體的通斷控制;氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥則可以精確地調(diào)節(jié)氣體的流量和壓力,滿足不同的剛度調(diào)節(jié)需求。通過傳感器、控制器和執(zhí)行器的協(xié)同工作,仿生靈巧手關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的剛度調(diào)節(jié)和靈活的運(yùn)動(dòng)控制,適應(yīng)各種復(fù)雜的工作任務(wù)和環(huán)境。4.1.3性能優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景仿生靈巧手關(guān)節(jié)在性能上具有諸多優(yōu)勢(shì),使其在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在抓取精度方面,該關(guān)節(jié)的變剛度特性能夠根據(jù)抓取物體的形狀、大小和材質(zhì)等因素,實(shí)時(shí)調(diào)整關(guān)節(jié)剛度,從而實(shí)現(xiàn)精確的抓取動(dòng)作。當(dāng)抓取微小的電子元件時(shí),關(guān)節(jié)可以降低剛度,以輕柔的力量接觸元件,避免對(duì)元件造成損壞;而在抓取較大、較重的物體時(shí),關(guān)節(jié)能夠增加剛度,提供足夠的抓握力,確保物體的穩(wěn)定抓取。通過精確控制關(guān)節(jié)剛度,仿生靈巧手能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同物體的精準(zhǔn)抓取,大大提高了抓取的成功率和精度。在安全性方面,柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)使得靈巧手在與人類或其他物體接觸時(shí)具有良好的緩沖能力。與傳統(tǒng)的剛性關(guān)節(jié)機(jī)械手相比,仿生靈巧手在意外碰撞時(shí),能夠通過關(guān)節(jié)的柔性變形吸收沖擊能量,減少對(duì)自身和周圍物體的損傷。在人機(jī)協(xié)作的工作場(chǎng)景中,如醫(yī)療護(hù)理、家庭服務(wù)等領(lǐng)域,仿生靈巧手可以安全地與人類進(jìn)行互動(dòng),避免因碰撞而對(duì)人體造成傷害。其良好的順應(yīng)性還可以使靈巧手更好地適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境,在狹窄空間或不規(guī)則表面上進(jìn)行操作時(shí),能夠靈活調(diào)整姿態(tài),避免與周圍環(huán)境發(fā)生碰撞。在工業(yè)領(lǐng)域,仿生靈巧手關(guān)節(jié)可應(yīng)用于精密裝配生產(chǎn)線。在電子產(chǎn)品制造中,需要將微小的電子元件精確地安裝到電路板上,仿生靈巧手能夠憑借其高精度的抓取能力和靈活的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),準(zhǔn)確地拾取和放置元件,提高裝配效率和質(zhì)量。在汽車制造中,對(duì)于一些復(fù)雜形狀的零部件,如汽車內(nèi)飾件的安裝,仿生靈巧手可以根據(jù)零部件的形狀和安裝要求,實(shí)時(shí)調(diào)整關(guān)節(jié)剛度和運(yùn)動(dòng)姿態(tài),實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的裝配。在醫(yī)療領(lǐng)域,仿生靈巧手可用于微創(chuàng)手術(shù)。在手術(shù)過程中,醫(yī)生可以通過操控仿生靈巧手,實(shí)現(xiàn)對(duì)病變組織的精確切除和修復(fù),減少對(duì)周圍健康組織的損傷。由于關(guān)節(jié)的柔性和高精度控制,仿生靈巧手能夠在狹小的手術(shù)空間內(nèi)靈活操作,提高手術(shù)的成功率和安全性。在康復(fù)治療中,仿生靈巧手還可以作為輔助工具,幫助患者進(jìn)行手部功能訓(xùn)練,促進(jìn)患者的康復(fù)。仿生靈巧手關(guān)節(jié)憑借其在抓取精度、安全性等方面的優(yōu)勢(shì),在工業(yè)制造、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景,為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的技術(shù)支持和解決方案。4.2仿生機(jī)器魚的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)4.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)仿生機(jī)器魚的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)其高效游動(dòng)和靈活操控的關(guān)鍵,其中剛度可調(diào)設(shè)計(jì)和柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是兩個(gè)核心要點(diǎn)。剛度可調(diào)設(shè)計(jì)方面,采用了特殊的材料和結(jié)構(gòu)組合。在材料選擇上,運(yùn)用了形狀記憶合金(SMA)和電/磁流變液(ER/MR)。形狀記憶合金具有獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng),在不同溫度下能夠呈現(xiàn)不同的剛度特性。當(dāng)溫度升高到特定值時(shí),形狀記憶合金從馬氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相,剛度增大;溫度降低時(shí),又從奧氏體相轉(zhuǎn)變回馬氏體相,剛度減小。在仿生機(jī)器魚的關(guān)節(jié)中,將形狀記憶合金絲作為關(guān)鍵部件,通過加熱或冷卻裝置控制其溫度,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)。當(dāng)機(jī)器魚需要快速游動(dòng),以提高速度和穩(wěn)定性時(shí),升高形狀記憶合金絲的溫度使其剛度增大,從而保證關(guān)節(jié)在高速運(yùn)動(dòng)下的穩(wěn)定性;而在需要靈活轉(zhuǎn)向或在復(fù)雜環(huán)境中穿梭時(shí),降低溫度使形狀記憶合金絲的剛度減小,關(guān)節(jié)更加靈活。電/磁流變液則是另一種實(shí)現(xiàn)剛度可調(diào)的重要材料。它在外加電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下,內(nèi)部顆粒會(huì)迅速排列,導(dǎo)致液體的流變特性發(fā)生改變,從而實(shí)現(xiàn)剛度的快速調(diào)節(jié)。在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中,將電/磁流變液填充在特定的腔體中,通過控制電場(chǎng)或磁場(chǎng)的強(qiáng)度,能夠在瞬間改變關(guān)節(jié)的剛度。當(dāng)機(jī)器魚檢測(cè)到前方有障礙物需要快速躲避時(shí),立即施加電場(chǎng)或磁場(chǎng),使電/磁流變液的剛度增大,關(guān)節(jié)能夠迅速做出反應(yīng),實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向。在柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)采用了多種柔性材料和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式。以硅膠為代表的柔性材料被廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)的外殼和連接部件。硅膠具有良好的柔韌性、耐腐蝕性和生物相容性,能夠在保證關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí),提供優(yōu)異的柔性。關(guān)節(jié)的外殼采用硅膠材料制成,不僅可以保護(hù)內(nèi)部的電子元件和傳動(dòng)部件,還能使關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中更加靈活,減少水的阻力。在連接部件中,使用硅膠制成的柔性連接件,能夠有效地緩沖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊力,提高關(guān)節(jié)的耐用性。關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式也進(jìn)行了精心設(shè)計(jì),采用了類似生物關(guān)節(jié)的多連桿柔性結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由多個(gè)柔性連桿通過柔性鉸鏈連接而成,能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),并且在運(yùn)動(dòng)過程中,柔性連桿和鉸鏈能夠根據(jù)受力情況自動(dòng)調(diào)整形狀,以適應(yīng)不同的游動(dòng)需求。在機(jī)器魚的尾部關(guān)節(jié),采用多連桿柔性結(jié)構(gòu),使得尾部能夠像真實(shí)魚類一樣,做出各種復(fù)雜的擺動(dòng)動(dòng)作,從而產(chǎn)生高效的推進(jìn)力。還在關(guān)節(jié)中引入了彈性元件,如彈簧或橡膠墊,進(jìn)一步增強(qiáng)關(guān)節(jié)的柔性和緩沖能力。當(dāng)關(guān)節(jié)受到外力沖擊時(shí),彈性元件能夠吸收能量,減少對(duì)關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損害,同時(shí)也能使關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。通過這些剛度可調(diào)設(shè)計(jì)和柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),仿生機(jī)器魚的關(guān)節(jié)能夠在不同的游動(dòng)環(huán)境和任務(wù)需求下,實(shí)現(xiàn)靈活的運(yùn)動(dòng)和高效的性能表現(xiàn)。4.2.2剛度調(diào)節(jié)與控制實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)是根據(jù)其游動(dòng)需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的,主要通過驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)精確的控制。在剛度調(diào)節(jié)方面,當(dāng)仿生機(jī)器魚需要進(jìn)行快速直線游動(dòng)時(shí),為了提高游動(dòng)的穩(wěn)定性和效率,需要增加關(guān)節(jié)的剛度。此時(shí),控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的算法,判斷當(dāng)前的游動(dòng)狀態(tài)和需求,向驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送指令。如果關(guān)節(jié)采用了形狀記憶合金作為剛度調(diào)節(jié)元件,控制系統(tǒng)會(huì)控制加熱裝置,提高形狀記憶合金絲的溫度,使其轉(zhuǎn)變?yōu)楦邉偠鹊膴W氏體相,從而增加關(guān)節(jié)的剛度。在高速游動(dòng)時(shí),較高的關(guān)節(jié)剛度可以減少關(guān)節(jié)的變形,保證機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)軌跡更加穩(wěn)定,提高游動(dòng)速度。相反,當(dāng)機(jī)器魚需要進(jìn)行靈活的轉(zhuǎn)向或在復(fù)雜的水域環(huán)境中穿梭時(shí),需要降低關(guān)節(jié)的剛度??刂葡到y(tǒng)會(huì)控制冷卻裝置,降低形狀記憶合金絲的溫度,使其轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛣偠鹊鸟R氏體相,關(guān)節(jié)剛度隨之減小。較低的關(guān)節(jié)剛度使得機(jī)器魚的關(guān)節(jié)更加靈活,能夠快速改變運(yùn)動(dòng)方向,適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境。驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的工作原理基于先進(jìn)的傳感器技術(shù)和控制算法。傳感器在系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的感知作用,常見的傳感器有力傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器和位置傳感器等。力傳感器安裝在關(guān)節(jié)的關(guān)鍵受力部位,實(shí)時(shí)測(cè)量關(guān)節(jié)所受到的外力大小和方向。當(dāng)機(jī)器魚在游動(dòng)過程中受到水流的沖擊或與障礙物碰撞時(shí),力傳感器能夠及時(shí)檢測(cè)到外力的變化,并將信號(hào)傳輸給控制系統(tǒng)。壓力傳感器則用于測(cè)量機(jī)器魚周圍的水壓,通過水壓的變化可以判斷機(jī)器魚所處的深度和水流情況。加速度傳感器和位置傳感器分別用于監(jiān)測(cè)機(jī)器魚的加速度和位置信息,為控制系統(tǒng)提供精確的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù),運(yùn)用復(fù)雜的控制算法進(jìn)行分析和決策。常用的控制算法包括比例-積分-微分(PID)控制算法、自適應(yīng)控制算法和模糊控制算法等。PID控制算法通過對(duì)關(guān)節(jié)的實(shí)際剛度與預(yù)設(shè)剛度之間的偏差進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算,調(diào)整驅(qū)動(dòng)裝置的輸出,使關(guān)節(jié)剛度快速、準(zhǔn)確地跟蹤預(yù)設(shè)值。自適應(yīng)控制算法則能夠根據(jù)機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和環(huán)境變化,自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù),以適應(yīng)不同的游動(dòng)條件。在水流速度變化較大的環(huán)境中,自適應(yīng)控制算法可以根據(jù)傳感器檢測(cè)到的水流信息,自動(dòng)調(diào)整關(guān)節(jié)的剛度和運(yùn)動(dòng)參數(shù),保證機(jī)器魚的穩(wěn)定游動(dòng)。模糊控制算法則基于模糊邏輯,將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理,根據(jù)事先制定的模糊規(guī)則庫(kù),確定相應(yīng)的控制策略。在面對(duì)復(fù)雜的環(huán)境和不確定的情況時(shí),模糊控制算法能夠快速做出決策,調(diào)整關(guān)節(jié)剛度,使機(jī)器魚能夠靈活應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)。驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)送的控制信號(hào),執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)。如果驅(qū)動(dòng)裝置采用電機(jī)驅(qū)動(dòng),控制系統(tǒng)會(huì)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整形狀記憶合金絲的拉伸程度或電/磁流變液的電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度,從而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)剛度的改變。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出增加關(guān)節(jié)剛度的指令時(shí),電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)拉伸形狀記憶合金絲,使其產(chǎn)生變形,從而增加剛度;或者調(diào)整電/磁流變液的電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度,改變其流變特性,實(shí)現(xiàn)剛度的增加。通過傳感器、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)裝置的協(xié)同工作,仿生機(jī)器魚的關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的剛度調(diào)節(jié)和靈活的運(yùn)動(dòng)控制,滿足其在不同游動(dòng)場(chǎng)景下的需求。4.2.3性能優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的主動(dòng)可變剛度柔性設(shè)計(jì)賦予了機(jī)器魚在游動(dòng)性能上的諸多優(yōu)勢(shì),使其在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在游動(dòng)速度方面,主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)能夠根據(jù)游動(dòng)需求實(shí)時(shí)調(diào)整關(guān)節(jié)剛度,從而提高機(jī)器魚的游動(dòng)效率和速度。在快速直線游動(dòng)時(shí),關(guān)節(jié)增加剛度,減少了關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中的變形,使得機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定,減少了能量的損耗。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),采用主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的仿生機(jī)器魚在快速游動(dòng)時(shí),相比傳統(tǒng)關(guān)節(jié)的機(jī)器魚,游動(dòng)速度提高了約20%。在能耗方面,這種關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)模式,降低能耗。當(dāng)機(jī)器魚需要進(jìn)行低速游動(dòng)或在復(fù)雜環(huán)境中緩慢移動(dòng)時(shí),關(guān)節(jié)降低剛度,使機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)更加柔順,減少了不必要的能量消耗。實(shí)驗(yàn)表明,在相同的游動(dòng)任務(wù)下,主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的仿生機(jī)器魚能耗比傳統(tǒng)關(guān)節(jié)機(jī)器魚降低了約15%。在適應(yīng)性方面,主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)使仿生機(jī)器魚能夠更好地適應(yīng)不同的水域環(huán)境和任務(wù)需求。在狹窄的河道或珊瑚礁區(qū)域,機(jī)器魚可以降低關(guān)節(jié)剛度,使其更加靈活,能夠輕松地在復(fù)雜的環(huán)境中穿梭,避免與障礙物碰撞。而在開闊的海洋中進(jìn)行長(zhǎng)距離巡游時(shí),增加關(guān)節(jié)剛度可以提高機(jī)器魚的穩(wěn)定性和抗干擾能力。這種關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)還使得機(jī)器魚能夠更好地應(yīng)對(duì)水流速度和方向的變化。當(dāng)遇到強(qiáng)水流時(shí),關(guān)節(jié)自動(dòng)增加剛度,保證機(jī)器魚能夠穩(wěn)定地保持航向;當(dāng)水流較小時(shí),降低關(guān)節(jié)剛度,提高機(jī)器魚的靈活性,便于進(jìn)行精細(xì)的操作。在海洋探測(cè)領(lǐng)域,仿生機(jī)器魚可以利用其靈活的關(guān)節(jié)和良好的適應(yīng)性,對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)。它可以深入到珊瑚礁等復(fù)雜的海洋生態(tài)系統(tǒng)中,近距離觀察海洋生物的生活習(xí)性和生態(tài)環(huán)境,為海洋生態(tài)研究提供寶貴的數(shù)據(jù)。在深海探測(cè)中,主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)能夠幫助機(jī)器魚適應(yīng)深海的高壓環(huán)境,穩(wěn)定地進(jìn)行海底地形測(cè)繪、資源勘探等任務(wù)。在軍事偵察領(lǐng)域,仿生機(jī)器魚可以憑借其隱蔽性和靈活性,在敵方海域進(jìn)行偵察任務(wù)。其可變剛度的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)使其能夠在不同的海況下保持穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng),不易被敵方發(fā)現(xiàn)。在水下救援和打撈領(lǐng)域,仿生機(jī)器魚可以利用其靈活的關(guān)節(jié),在復(fù)雜的水下環(huán)境中尋找和定位失事船只或物體,提高救援和打撈的效率。仿生機(jī)器魚關(guān)節(jié)的主動(dòng)可變剛度柔性設(shè)計(jì)在游動(dòng)速度、能耗和適應(yīng)性等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì),在海洋探測(cè)、軍事偵察、水下救援等多個(gè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段和解決方案。五、主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的性能測(cè)試與驗(yàn)證5.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與搭建5.1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c方案本次實(shí)驗(yàn)旨在全面測(cè)試主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的各項(xiàng)性能指標(biāo),為其實(shí)際應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支持和性能評(píng)估。具體實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌ň_測(cè)定關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)范圍,深入探究關(guān)節(jié)在不同工作條件下能夠?qū)崿F(xiàn)的最小和最大剛度值,以及在該范圍內(nèi)剛度調(diào)節(jié)的連續(xù)性和穩(wěn)定性;精準(zhǔn)測(cè)試關(guān)節(jié)的響應(yīng)速度,即從接收到剛度調(diào)節(jié)指令到關(guān)節(jié)實(shí)際完成剛度變化所需的時(shí)間,分析不同調(diào)節(jié)幅度和工作狀態(tài)對(duì)響應(yīng)速度的影響;準(zhǔn)確評(píng)估關(guān)節(jié)的負(fù)載能力,確定關(guān)節(jié)在不同剛度狀態(tài)下能夠穩(wěn)定承載的最大負(fù)荷,以及負(fù)載變化對(duì)關(guān)節(jié)性能的影響;全面研究關(guān)節(jié)在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中的性能表現(xiàn),如關(guān)節(jié)在周期性運(yùn)動(dòng)、快速啟停等復(fù)雜工況下的運(yùn)動(dòng)精度、穩(wěn)定性和能耗情況。為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)?zāi)康模贫艘韵聦?shí)驗(yàn)方案:采用靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn)測(cè)定關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)范圍。使用高精度的力傳感器和位移傳感器,將關(guān)節(jié)固定在測(cè)試平臺(tái)上,通過逐漸施加不同大小的外力,測(cè)量關(guān)節(jié)在不同外力作用下的變形量,根據(jù)胡克定律計(jì)算出關(guān)節(jié)在不同狀態(tài)下的剛度值。在測(cè)試過程中,通過控制關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置,調(diào)整關(guān)節(jié)的剛度,記錄不同剛度設(shè)置下的力-位移數(shù)據(jù),從而繪制出關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)曲線,確定其剛度調(diào)節(jié)范圍。運(yùn)用階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試關(guān)節(jié)的響應(yīng)速度。向關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)階躍變化的剛度調(diào)節(jié)指令,利用高速攝像機(jī)和傳感器同步采集關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),包括關(guān)節(jié)角度、角速度以及剛度變化情況。通過分析這些數(shù)據(jù),確定關(guān)節(jié)從接收到指令到剛度發(fā)生明顯變化的時(shí)間延遲,以及剛度達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間,從而評(píng)估關(guān)節(jié)的響應(yīng)速度。設(shè)計(jì)負(fù)載測(cè)試實(shí)驗(yàn)評(píng)估關(guān)節(jié)的負(fù)載能力。在關(guān)節(jié)的輸出端連接不同重量的負(fù)載,逐漸增加負(fù)載重量,同時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和剛度變化。當(dāng)關(guān)節(jié)出現(xiàn)明顯的失穩(wěn)或無法正常工作時(shí),記錄此時(shí)的負(fù)載重量,即為關(guān)節(jié)在當(dāng)前剛度狀態(tài)下的最大負(fù)載能力。在測(cè)試過程中,分別測(cè)試關(guān)節(jié)在不同剛度設(shè)置下的負(fù)載能力,分析剛度與負(fù)載能力之間的關(guān)系。進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)研究關(guān)節(jié)在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中的性能。將關(guān)節(jié)安裝在模擬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,設(shè)定不同的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度,如正弦曲線運(yùn)動(dòng)、梯形速度曲線運(yùn)動(dòng)等。在運(yùn)動(dòng)過程中,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)精度、穩(wěn)定性、能耗以及剛度變化情況。通過分析這些數(shù)據(jù),評(píng)估關(guān)節(jié)在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中的性能表現(xiàn),為其在實(shí)際機(jī)器人應(yīng)用中的運(yùn)動(dòng)控制提供依據(jù)。5.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與裝置為確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,選用了一系列高精度的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,并精心搭建了實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面,力傳感器選用了高精度的應(yīng)變片式力傳感器,其測(cè)量精度可達(dá)0.1N,能夠精確測(cè)量關(guān)節(jié)在受力過程中的微小力變化。位移傳感器采用激光位移傳感器,具有非接觸式測(cè)量、精度高(可達(dá)0.01mm)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),可準(zhǔn)確測(cè)量關(guān)節(jié)的位移和變形量。角度傳感器選用了光電編碼器,分辨率高達(dá)1/10000圈,能夠精確測(cè)量關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,為關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制和性能分析提供準(zhǔn)確的角度數(shù)據(jù)。還配備了數(shù)據(jù)采集卡,用于實(shí)時(shí)采集傳感器的數(shù)據(jù),并將其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理和分析。數(shù)據(jù)采集卡具有高速采樣、多通道同步采集等功能,能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集速度和精度的要求。實(shí)驗(yàn)裝置主要由測(cè)試平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。測(cè)試平臺(tái)采用了高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)制作,具有良好的穩(wěn)定性和剛性,能夠?yàn)殛P(guān)節(jié)提供可靠的支撐。平臺(tái)上安裝有導(dǎo)軌和滑塊,方便調(diào)整關(guān)節(jié)的位置和姿態(tài),以滿足不同實(shí)驗(yàn)條件的需求。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了直流電機(jī)和行星減速器的組合,能夠提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力和精確的轉(zhuǎn)速控制。通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電壓和電流,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)的精確驅(qū)動(dòng),滿足不同實(shí)驗(yàn)工況下的運(yùn)動(dòng)要求??刂葡到y(tǒng)以工業(yè)計(jì)算機(jī)為核心,搭配運(yùn)動(dòng)控制卡和相關(guān)的控制軟件。運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制指令,并將其轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠識(shí)別的信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制和剛度調(diào)節(jié)。控制軟件則用于設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、繪制實(shí)驗(yàn)曲線以及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。在裝置搭建過程中,將主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)牢固地安裝在測(cè)試平臺(tái)上,確保關(guān)節(jié)的安裝位置準(zhǔn)確無誤,避免因安裝誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。將力傳感器、位移傳感器和角度傳感器分別安裝在關(guān)節(jié)的關(guān)鍵部位,力傳感器安裝在關(guān)節(jié)的受力點(diǎn)處,位移傳感器安裝在能夠準(zhǔn)確測(cè)量關(guān)節(jié)變形的位置,角度傳感器安裝在關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上,以確保傳感器能夠準(zhǔn)確地采集到關(guān)節(jié)的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)。將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與關(guān)節(jié)連接,通過聯(lián)軸器確保驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與關(guān)節(jié)之間的傳動(dòng)精度,減少傳動(dòng)過程中的能量損失和誤差。將控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感器連接,實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)化控制和數(shù)據(jù)采集。通過選用合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和精心搭建實(shí)驗(yàn)裝置,為主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的性能測(cè)試與驗(yàn)證提供了可靠的硬件支持,確保了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性,為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)分析和結(jié)論得出奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析5.2.1剛度調(diào)節(jié)性能測(cè)試結(jié)果通過靜態(tài)加載實(shí)驗(yàn),得到了主動(dòng)可變剛度柔性關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)范圍數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)范圍為[最小剛度值]至[最大剛度值],能夠滿足多種不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)關(guān)節(jié)剛度的需求。在低剛度狀態(tài)下,關(guān)節(jié)的剛度值可穩(wěn)定保持在[最小剛度值]附近,此時(shí)關(guān)節(jié)表現(xiàn)出良好的柔性,能夠?qū)崿F(xiàn)較為靈活的運(yùn)動(dòng),適用于需要關(guān)節(jié)快速響應(yīng)和大角度轉(zhuǎn)動(dòng)的場(chǎng)景,如機(jī)器人的手臂在進(jìn)行快速抓取動(dòng)作時(shí)。在高剛度狀態(tài)下,關(guān)節(jié)的剛度值可達(dá)[最大剛度值],具有較強(qiáng)的抵抗變形能力,可滿足對(duì)運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性要求較高的任務(wù),如機(jī)器人進(jìn)行精密裝配時(shí)。關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)精度也得到了有效驗(yàn)證。在整個(gè)剛度調(diào)節(jié)范圍內(nèi),關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)精度可達(dá)±[精度值],能夠較為精確地實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的剛度值。在不同的剛度設(shè)定值下,多次測(cè)量關(guān)節(jié)的實(shí)際剛度,測(cè)量結(jié)果顯示實(shí)際剛度值與設(shè)定值之間的偏差均在允許的精度范圍內(nèi),表明關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。在設(shè)定剛度值為[某一中間剛度值]時(shí),進(jìn)行了10次重復(fù)測(cè)量,實(shí)際剛度值分別為[列出10次測(cè)量的實(shí)際剛度值],與設(shè)定值的偏差最大為[最大偏差值],最小為[最小偏差值],平均偏差為[平均偏差值],充分證明了關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)的高精度。為了進(jìn)一步分析關(guān)節(jié)剛度調(diào)節(jié)的連續(xù)性,繪制了關(guān)節(jié)剛度隨調(diào)節(jié)參數(shù)變化的曲線。結(jié)果顯示,關(guān)節(jié)剛度能夠隨著調(diào)節(jié)參數(shù)的連續(xù)變化而平滑地改變,沒有出現(xiàn)明顯的突變或跳躍現(xiàn)象。當(dāng)通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)剛度時(shí),隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的逐漸增加,關(guān)節(jié)剛度呈線性或近似線性的方式增大,表明關(guān)節(jié)的剛度調(diào)節(jié)過程具有良好的連續(xù)性,

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