一种串联弹性驱动器弹性体的设计

邢则拯 林誉皓

（浙江理工大学 机械与自动控制学院，杭州 310018）

1 研究背景及设计参数

1.1 串联弹性驱动器

应用于柔性下肢外骨骼机器人的驱动器应当是一种能够复合高度动态性能要求的腿式机器人驱动器。基于动态步行的特点，驱动器应当具备大力矩输出密度和动态物理交互能力的要求。目前，腿足式机器人3 种常见的驱动器设计方案为变刚度驱动器、弹性驱动器和本体驱动器，基本结构如图1 所示。

弹性驱动器采用被动式适应技术，可以使得系统在输出参数或系统整体特性的摄动下具有良好的鲁棒性。弹性驱动器的基本特征是其输出端串联弹性体，基本模型如图2 所示[1-2]。

目前，弹性元件的设计多是以弹簧或者扭簧为中心，辅助挡板、转动盘等配件。此类型设计驱动器体积较大，且需要较高的装配精度。因此，本文设计了一行具有拓扑结构的环形弹性体，通过具有变形能力的弹性梁和变形体连接输入输出完成扭矩传递。

1.2 串联弹性体设计参数

根据人体下肢运动学模型及实验，被测试者在体质量为70 kg、步行速度为1 m·s-1的情况下，人体髋关节运动最大转矩为40.3 N·m，取设计最大扭矩为50 N·m。根据输入端谐波减速器尺寸，弹性内圈直径为20 mm，螺纹孔直径为3 mm。设计外圈直径为 90 mm，弹性体刚度为850 N·m·rad-1。弹性体承载扭矩为0 ～50 N·m，设计安全系数为1.3，弹性体最大变形角度小于等于6°，即外圈相对于内圈最大位移量为9.4 mm。

2 本体设计

弹性体由内圈、外圈、弹性支撑梁、波形变形体及连接用光孔组成。……