CN117355393A - 可重构旋转串联弹性致动器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种可重构的旋转串联弹性元件(RSEE)，包括：内张力弹簧安装座；外张力弹簧安装座；和多个张力弹簧，其连接在所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座之间。每个弹簧与所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座中的一个或两个连接的位置：可以改变以调整所述RSEE的输出转矩与偏转角之间的关系；和被配置使得在所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座的相对旋转期间，至少一个所述张力弹簧中的张紧量不同于至少另一个所述张力弹簧中的张紧量。
Description
技术领域
本发明通常涉及一种可重构旋转串联弹性致动器和包括例如RSEE的串联弹性致动器。
背景技术
最近，各种辅助机器人被开发出来，以帮助残疾人或增加人类的力量。这些机器人设备，如用于行走辅助的动力外骨骼，显著改善了残疾人的行动能力和生活质量。在这些应用中，辅助机器人必须与使用它们的人进行直接的物理交互。
为了提高物理人机交互(physical human-robot interaction,pHRI)的性能和安全性，致动器和相应控制器的设计至关重要。顺应性的使用，包括由控制产生的主动顺应性和被动物理顺应性，被认为是辅助机器人必不可少的，对于提高对环境的动态适应性和鲁棒性至关重要，并实现安全的pHRI。尽管在不同顺应性致动器的设计和控制方面有了许多新的发展，但在实际应用中获得令人满意的pHRI性能仍然具有挑战性。
串联弹性致动器(Series Elastic Actuator,SEA)就是这样一种顺应性致动器，在刚性致动器和外部负载之间有意地串联引入物理弹性元件。为了充分利用SEA的优势，辅助机器人开发了不同的SEA，包括较低的输出阻抗、良好的反向驾驶性能、抗冲击能力、能源效率、平稳准确的力传递以及pHRI的安全性。然而，SEAs通常使用固定刚度的弹簧作为力传递的弹性元件，这是传统SEAs的根本局限性，因为SEAs的性能高度依赖于弹簧常数。一方面，软弹簧产生高的力控制保真度，低输出阻抗，并减少粘滞，但也限制了力范围和力带宽。另一方面，刚性弹簧增加了力的带宽，但降低了力的保真度。为了获得理想的力输出和足够的力带宽，大多数现有的SEAs使用高刚度的弹簧，导致力控制性能受损，固有顺应性和反驱动性较低。
为了克服传统SEAs的基本限制，人们提出了许多新型顺应性致动器。变刚度作动器(Variable Stiffness Actuators,VSAs)是研究最多的例子之一。VSA能够根据不同的工作原理调整其刚度。在这些工作原理中，通过二次电机和复杂的刚度调节机构对弹性元件进行调谐是实现刚度变化的最常用方法。因此，这些致动器通常是复杂和沉重的，这增加了控制的复杂性，并使部署在辅助机器人，特别是在可穿戴辅助机器人困难。
除了VSA之外，非线性刚度的引入也为传统SEAs的局限性提供了一个有希望的解决方案。但现有的设计在实现非线性刚度和提高辅助机器人对不同应用的适应性方面仍然存在局限性。在某些情况下，通过特殊设计的凸轮形状实现非线性刚度行为，导致缺乏对不同应用的适应性。一些新颖的和可重构的设计，能够产生非线性和可调的刚度行为。但该装置的可重构性和刚度可调性是通过在滑轮组处采用各种复杂的缠绕方式实现的，由于摩擦力的影响，模型精度有限，难以在pHRI中获得满意的控制性能。
为了提高pHRI的性能和对不同应用的适应性，希望提供新的器件设计来克服现有非线性SEAs的上述局限性，或者至少提供一种有用的替代方案。
发明内容
本文描述的是顺应性致动器设计，尤其是用于辅助机器人的具有非线性刚度的可重构旋转串联弹性致动器(SEAs)。所描述的装置具有非线性刚度和可调刚度轮廓，由具有普通张力弹簧的新型可重构旋转串联弹性元件(RSEE)产生。非线性刚度可以克服常规系统恒刚度的局限性，提高人机交互性能。通过改变可重构RSEE的不同配置，可以产生不同的刚度曲线，使该模块化致动器能够应用于不同的辅助机器人和任务。
公开了一种可重构的旋转串联弹性元件(RSEE)，包括：
内张力弹簧安装座；
外张力弹簧安装座；和
多个张力弹簧，其连接在所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座之间；
其中，每个弹簧与所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座中的一个或两个连接的位置：
可以改变以调整所述RSEE的输出转矩与偏转角之间的关系；和
被配置使得在所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座的相对旋转期间，至少一个所述张力弹簧中的张紧量不同于至少另一个所述张力弹簧中的张紧量。
所述内张力弹簧安装座可以为内板，并且其中，所述外张力弹簧安装座包括两个外板，所述内板设置在两个所述外板之间。
所述外张力弹簧安装座可以包括多个间隔的连接孔，所述多个间隔的连接孔限定了位置，在所述位置处，所述张力弹簧可以被选择连接到所述外张力弹簧安装座。
每个张力弹簧可以通过连接轴联接到所述外张力弹簧安装座。每个张力弹簧可以限定在所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座之间的夹角，并且其中，所述关系可以通过偏移一个或多个所述张力弹簧的所述角度来调整。所述关系可以通过改变一个或多个所述张力弹簧的预紧长度来调整。
所述关系可以通过改变所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座之间的添加或移除张力弹簧来调整。
所述RSEE还包括设置在所述内板的相对两侧，并位于所述内板和所述外板之间的两个轴承。
还公开了一种串联弹性致动器(SEA)，包括：
前述的RSEE；和
驱动组件，其用于驱动所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座中的一个。
所述驱动组件可以驱动所述内张力弹簧安装座。
所述SEA可以还包括用于容纳所述RSEE的外壳。
所述SEA可以还包括用于测量所述内张力弹簧安装座的角度变化的第一角度测量器，以及用于测量所述外张力弹簧安装座的角度变化的第二角度测量器。所述驱动组件可以包括用于提供驱动力的电机，嵌入式齿轮减速器，连接到所述内张力弹簧安装座和所述第一角度测量器的输出轴。所述SEA可以还包括轴套，其用于沿所述内张力弹簧安装座的旋转轴线固定所述输出轴的位置。
每个角度测量器可以是编码器。每个编码器可以是旋转编码器。
有利的是，RSEE具有非线性刚度。非线性刚度克服了常规结构刚度恒定的局限性。这种实施例也可以使用普通的张力弹簧，而不是具有非线性刚度的特殊扭力弹簧，成本低，精度高。
与现有的旋转串联弹性致动器中使用的扭力弹簧相比，本文描述的结构提供了大的挠度范围和高的扭力分辨率。
有利的是，RSEE的设计是可重构。因此，通过改变可重构RSEE的配置，可以生成不同的刚度曲线。此外，刚度轮廓是可调的，使得致动器可以用于不同的辅助机器人和任务(或模块化设计中的多个致动器)。
附图简要说明
现在将通过非限制性示例，参照附图描述本发明的实施例，其中:
图1是根据本公开的设备中可重构RSEE的透视图；
图2是图1中可重构RSEE致动器的分解透视图；
图3是根据本公开的可重构RSEE的透视图；
图4是图3中可重构RSEE的分解透视图；
图5是通过改变张力弹簧的预张力长度Δl而配置的RSEE的示例实施例的示意图；
图6为图5RSEE的输出转矩与偏转角的关系；
图7是通过张力弹簧的不同偏移角φ配置的RSEE的示例实施例的示意图；
图8为图7RSEE的输出转矩与偏转角的关系；
图9是通过张力弹簧的不同偏移角φ配置的RSEE的示例实施例的示意图；
图10为图9RSEE的输出转矩与偏转角的关系；
图11是根据目前的教导的机械设计和原型RRSEAns，其中，图(a)是计算机辅助设计(CAD)的总体视图模型、图(b)是一个分解视图的CAD模型，图(c)是具有可变弹簧预张力长度的第一配置(6个弹簧对)，图(d)是具有可变弹簧偏移角的第二个配置(6个弹簧对)，图(e)是具有可变弹簧偏移角的1/3配置(4个弹簧对)，图(f)是用于测试的RRSEAns原型；
图12是可重构RSEE的原理图，其中图(a)为带弹簧预张力的配置，图(b)为带偏移角的配置；
图13中，图(a)为两个可调变量对RRSEAns输出扭矩和刚度影响的仿真结果，图(b)为实验结果对模型的验证；
图14是根据目前的教导而作的RRSEA的线性化模型示意图；
图15示出了级联PI控制器的实施例；和
图16示出了不同非线性程度下的RRSEAns频率响应，其中，图(a)为低输出转矩开环响应，图(b)为低输出转矩闭环响应，图(c)为高输出转矩开环响应，图(d)为高输出转矩闭环响应。
具体实施方式
描述了一种用于辅助机器人的可重构非线性刚度旋转串联弹性致动器(Reconfigurable Rotary Series Elastic actuator with nonlinear stiffness,RRSEAns)。采用一种新颖的可重构旋转串联弹性元件(RSEE)生成非线性可调刚度轮廓，实现了低输出阻抗、高保真力控制、大力带宽和输出力范围的良好平衡。在可重构RSEE中，线性张力弹簧作为基本弹性元件，通过改变RSEE的设置可以调整其刚度轮廓。建立了基于两种不同调节原则的运动学模型，清晰地揭示了可调参数对刚度特性的影响，为设计和刚度调节提供了指导。
除了致动器的设计外，控制器的设计对于实现令人满意的性能和保证pHRI的安全性也很重要。对于控制器设计来说，非线性刚度通常会给实现精确稳定的力控制带来困难。作为一种易于应用和鲁棒的控制器，级联PID在一些实施例中被用于线性SEAs的力控制。由于被驱动电机的速度环带宽远高于SEA的力环带宽，并且电机动态与负载侧解耦，因此采用级联PID控制器可以实现有效的鲁棒力控制。下面描述的是设计用于所提出的具有非线性刚度的致动器的转矩控制的级联PI控制器。基于可调刚度曲线，进行了高度非线性和线性刚度的人机交互试验，清楚地展示了非线性刚度在pHRI中的优势。
图1至图4显示了这样一种装置100，它包含一个可重构的旋转串联弹性元件(RSEE)102，该元件赋予系统非线性刚度，以方便在辅助机器人中使用。在一些实施例中，具有RSEE 102的装置100作为单个单元提供。在其他实施例中，RSEE单独提供，用于并入另一装置中。
装置100包括外壳组件104。外壳组件104将装置100保持在相对于辅助人体运动的系统的位置上。因此，该装置连接在提供两个构件之间相对运动的关节上(例如，膝盖用于上下腿之间的运动，或肘部用于前臂和上臂之间的运动)。外壳可以连接到一个构件(例如，上臂)，外张力弹簧安装座(下面讨论)可以连接到另一个构件(例如，前臂)。例如，该装置可以连接在系统的膝关节处，该系统包括用于固定到人的大腿的上肢部件和用于固定到人的小腿的下肢部件。然后，该装置可以帮助控制膝盖的弯曲，并提供适当的阻力来帮助控制腿部的运动。类似的评论也适用于放置在人体另一个连接处的器械，例如肘关节。
RSEE 102包括一个内张力弹簧安装座106，一个外张力弹簧安装座，该外张力弹簧安装座目前由板108a和108b体现，以及多个张力弹簧110。所述张力弹簧110在内张力弹簧安装座106和外张力弹簧安装座(108a,108b)之间延伸或连接。张力弹簧110可以是任何合适的弹簧，但通常设想为普通(例如线性弹簧常数)弹簧。
如图5、7和9所示，可以改变每个弹簧110连接到一个或两个内张力弹簧安装座106和外张力弹簧安装座(108a、108b)的位置，以调整RSEE 102的输出扭矩和挠度之间的关系。这使得RSD 102可以重新配置，例如，调整相对于外弹簧安装座(108a,108b)旋转内弹簧安装座106所需的张紧量。弹簧110连接到弹簧安装座(106、108a、108b)的位置也配置为，在内张力弹簧安装座106和外张力弹簧安装座(108a、108b)的相对旋转期间，至少一个所述张力弹簧110中的张紧量不同于至少一个其他所述张力弹簧110中的张紧量。因此RSEE 102具有非线性力响应。
内张力弹簧安装座106采用内板的形式。在所述内板106上所附弹簧110的位置112上，在所述内板106的外围均匀分布。在其他实施例中，所述位置112可以围绕所述内板106的外围不均匀地分布，或者可以位于距离所述内张力弹簧安装座的旋转轴的不同径向距离处。
外张力弹簧安装座同样包括两个外板108a和108b。所述内板106设置在外板(108a、108b)之间。在一些实施例中，外张力弹簧安装座可仅包括位于内张力弹簧安装座一侧的单个板或其他构件。然而，为了在横向施加的载荷(即与内张力弹簧安装座的旋转轴平行的非零分量的载荷)下抗弯曲的稳定性，希望内张力弹簧安装座106位于外张力弹簧安装座的构件之间。
为了方便RSEE 102和外壳104之间的相对旋转，在RSEE 102和外壳104的板128之间设有轴承126。目前，外壳由两个板128、132组成，RSEE 102夹在这两个板之间，板128、132由顶板130连接。驱动组件120以固定关系连接到板128、132中的一个。该内张力弹簧安装座在轴134上或包括轴134。为了保持轴与外壳的精确对准，轴134在轴套136内旋转。
外张力弹簧安装座包括多个位置，目前通过连接孔114体现，张力弹簧110可与连接孔114连接。连接孔114可以沿外张力弹簧安装座的外围均匀分布，如图所示，连接孔114可以沿外张力弹簧安装座的外围不均匀分布，也可以位于与外张力弹簧安装座的旋转轴径向距离不同的位置。虽然张力弹簧110可直接连接到外张力弹簧安装座，但张力弹簧110连接到轴113，轴113在相对端分别连接到板108a、108b中的一个。
内弹簧安装座(板106)相对于外弹簧安装座(板108a,108b)旋转。为了便于旋转，内弹簧安装座通过两个轴承116连接到两个外板108a和108b。两个轴承116、118设置在内板106的相对两侧，内板106与外板108a、108b之间。因此，内板106可以相对于外板108a和108b自由旋转。张力弹簧110设置在内板106与两个外板108a和108b之间的空间内。张力弹簧110通过内板106的铰接点112与内板106连接，并通过设置在两个外板108a和108b的连接孔114中的连接轴113与两个外板108a和108b连接。
参考图2和图4，装置100包括驱动组件120，用于驱动内张力弹簧安装座和外张力弹簧安装座中的一个。该实施例中的驱动组件120驱动内张力弹簧安装座。
驱动组件120包括驱动输出轴124的电机122。为了调整由电机122施加的力，驱动组件还可以包括嵌入式齿轮减速器。
输出轴124通过连接器126连接到可重构RSEE 102的内板106。连接器126确保来自输出轴124的力均匀分布在板或多个板周围，本申请中是均匀分布在内板106周围，其旋转由驱动组件120驱动。
为了控制内张力弹簧安装座和外张力弹簧安装座之间的相对旋转量，从而控制例如用于辅助运动的外骨骼的两个构件之间的相对旋转量，提供了一个或多个角度测量器。每个角度测量器测量内张力弹簧安装座和外张力弹簧安装座之间的角度，或其中一个弹簧安装座和外壳104之间的角度。在本申请中，有两种角度测量器。第一角度测量器133用于测量该输出轴的角度变化，即所述内板106的角度变化。第一角度测量器可以是旋转编码器，该编码器以已知方式操作，固定在内张力弹簧安装座和外张力弹簧安装座中的一个上，以测量内张力弹簧安装座和外张力弹簧安装座的另一个的旋转变化。第二角度测量器136测量外板108a和108b相对于轴124或外壳组件104的角度变化，例如测量与外壳、电机或其他点相关的外板或内板的角度旋转。角度测量器可以是任何合适的装置，例如编码器或旋转编码器。角度测量器133、136的不同读数可用于推断RSEE 102的偏转角。换句话说，内板106与外板108a和108b的夹角之差即为可重构RSEE 3的偏转角。基于可重构RSEE 3的运动学模型和胡克定律，可以精确计算输出扭矩。
可重构RSEE 3的配置可以设置为各种非线性排列，如图5、7和9所示。参照图5和图6，张力弹簧110从位置112向外径向延伸到位置114。张力弹簧110在旋转轴138周围等距间隔。如图6所示，尽管间距相等，但输出转矩τ与偏转角θ之间的关系是非线性的。偏转角θ的大小越大，输出扭矩越大，其非线性关系可以通过改变一个或多个张力弹簧的预紧长度Δl来调节。参考图7，通过将多个弹簧的第一端连接到位置112，并将这些弹簧的第二端分别连接到不同的位置114，可以得到另一种非线性关系。通过将多个弹簧连接到位置114，其相对端分别连接到不同的位置112，或两种连接方案的组合，可以达到类似的效果。如图8所示，输出转矩τ与偏转角θ的关系也是非线性的。在本实施例中，可以通过改变张力弹簧110的偏移角(即角度的偏移)来调节非线性关系。偏移角/>是从位置112出发的弹簧的轨迹X与对应位置114相对于径向线y的夹角。对于连接到单个位置112、114的任意两个弹簧，其偏移角可以相同，如图7所示，也可以不同。如图8所示，正方向的零偏角轮廓与负方向的零偏角轮廓相等且相反，但如果连接到同一位置112、114的任意两个弹簧之间的偏置角度不同，则这两个轮廓可能不再相等。图9显示了另一种布置，改变张力弹簧110的偏移角φ，会改变图10所示的非线性关系。
在图5至图10所示的每个实施例中，可以调整所有张力弹簧以改变非线性关系，或者可以调整张力弹簧的一个子集。同样，在每种情况下，可以通过增加或减少内张力弹簧安装座和外张力弹簧安装座之间的张力弹簧来改变非线性关系。
在上面列出的实施例中，以及将参考这些实施例来理解的实施例中，输出扭矩和偏转角之间的关系是非线性的，并且刚度可以从接近零的最小值变化到相对较大的值。在较大的偏转角范围内保持了非线性关系，从而保证了扭矩测量的精度。
可重构RSEE 102的配置变化可以通过调整一个或多个预紧长度Δl、张力弹簧110的偏移角φ和弹簧数量来实现。因此，输出转矩与偏转角的非线性关系可以调整，如图6、8、10所示。可重构的RSEE 102和旋转串联弹性致动器可适应不同的使用条件。
RSEEAns标准可以提供广泛的刚度范围，包括但不限于0.095Nm/°至2.330.095Nm/°。
现在将参照图11描述进一步的实施例，然后将在测试中使用。值得注意的是，采用内置齿轮减速器和绝对编码器的1100盘形电机驱动RRSEAns，可以节省RRSEAns的尺寸和重量。为了进一步增加输出扭矩并减少RSEE的厚度，使用同步带1102来传递电机1100和RSEE1104之间的力(即由电机1100驱动轴1106，然后驱动RSEE 1104)。同步带的传动比可酌情选择。例如，传动比可以是2:1，可以进一步提高传动比以满足更大的输出扭矩的要求，或者降低传动比以满足更低的输出扭矩的要求。在一些实施例中，在传输后，RRSEAns可以提供高达13.2N·m的连续扭矩和超过30N·m的峰值扭矩。这个范围对于大多数辅助机器人来说是足够的。
结构部分可由任何适当的材料制成，如铝合金，经要求后，可使RRSEAns的总重量约为1公斤。
在图11所示实施例中，串联弹性元件由于弹性将力控制传递给位置控制，并部分掩盖摩擦并反映了电机和传动机构的惯性。这允许精确的扭矩控制和低阻抗。为了消除传输误差的影响，采用两个绝对编码器测量RSEE的偏转角分别为1108、1110。可以使用任何合适的编码器，例如旋转编码器，例如分辨率为17位的旋转绝对编码器。
在旋转SEAs中，弹性元件用作扭矩传感器和扭矩发生器。因此，旋转SEAs的性能在很大程度上取决于弹性元件的特性。与线性刚度相比，该RSEE具有非线性刚度，能够更好地满足pHRI控制的要求。与其他使用定制扭转弹簧作为弹性元件的旋转SEAs不同，RRSEAns的一个主要优点是，通过采用廉价线性弹簧的新颖设计，RSEE可以产生所需的非线性刚度特性。RSEE是基于同轴旋转机构设计的。在本设计中，RSEE的两个同轴板(内板和外板)可以相对旋转，并通过张力弹簧联接。内板由电机通过传动机构驱动，外板与外负载联动。因此，张力弹簧的顺应性被有意地引入RSEE的输入侧和输出侧之间的串联。
如图11(图(c))所示，在1116、1118两块板上均匀地放置了多个铰接点1112、1114。该张力弹簧1120在两个极板1116、1118的铰接点之间铰接，以联接从输入侧到输出侧的旋转。联轴器的刚度由弹簧刚度、弹簧个数、弹簧的预张紧长度和初始位置的偏移角度决定。通过这种设计，可以通过选择不同构型的RSEE获得可变的刚度值和不同的刚度轮廓，显著提高了RSEE在辅助机器人中对不同应用的适应性。图11中显示了三种典型配置(图(c)、(d)和(e))，对应于图5、7和9。
对于运动学设计，我们考虑了刚度调整的两个基本原则：调整弹簧预张力长度和调整初始位置的偏移角度，如图12所示。第三种调节机制存在于增加或减少张力弹簧。图12所示的几何参数和弹簧拉力记为：
l0，ΔL分别为弹簧静止长度和弹簧预张拉长度；
r1，r2分别为内板和外板铰接点的半径。具体来说，r1是固定的，r2由弹簧预张拉长度ΔL决定，可用式(1)计算：
r2＝r1+l0+ΔL (1)
θ，q分别表示内、外板的旋转角度；
表示偏移角位于初始位置，其在一些实施例中相对(/>图11，图像(d))而在另一些实施例中相同(/>图11，图像(e))；
l1和l2表示在任意偏转角下，每对弹簧中两个弹簧的停留长度，可用式(2)计算：
Fi(i＝1，2)表示每对弹簧中两个弹簧的拉力，可根据胡克定律按式(3)计算
Fi＝ks(li-l0) (3)
通过θ和q的测量，RRSEAns的输出扭矩可由式(4)计算：
式中n＝4,6对应弹簧对数。因此，RRSEAns的等效转动刚度定义为式(5)：
δτe＝Keq·δβ (5)
其中β为RSEE根据式(6)的偏转角：
该运动学模型可以表示RSEE的所有构型。例如，当初始位置的偏移角度设置为时，它表征如图11图(c)所示的配置。同样，当弹簧对的数量设置为4，并且每对弹簧的两个偏移角度设置为相同/>时，它表征如图11图(e)所示的配置。
张力弹簧的参数和数量是通过考虑紧凑RSEE中有限的安装空间以及对最大输出扭矩的要求来确定的。一方面，刚度越高的张力弹簧，在大偏转角下，RSEE的刚度越高，输出扭矩越大。另一方面，由于RSEE的设计特性，RSEE在初始位置周围的刚度保持较低，可以满足在透明模式下建立低阻抗的需要。根据RSEE的运动学模型和几何参数(见表1)，选取刚度为20kN/m、静置长度为28.5mm的张力弹簧，满足偏转角约为30°时扭矩大于30N·m的设计要求，初步试验结果表明，该张力弹簧符合Hooke定律。
基于RSEE的运动学模型和调节原理，进行了仿真，揭示了RSEE的性能极限和特点。RSEE的几何参数和所选弹簧的性能如表1所示。值得注意的是，为了克服所选弹簧的初始张力，避免RSEE完全松弛的情况(Keq＝0，即弹簧无张力)。在一些实施例中，弹簧的一个子集可以允许具有零张力，这可能会对RSEE的使用和控制造成一些麻烦，对于RSEE的所有配置(包括具有预张力长度的配置和具有偏移角度的配置)，最小预张力长度设置为0.5mm。在模拟中考虑了以下规格:
硬度范围Keq∈[Kmin，Kmax]
最大允许输出转矩τmax
最大偏转角βmax
表1样机及控制器参数
图13(a)显示了两个可调变量对RRSEAns输出扭矩和刚度影响的仿真结果。图中虚线和实线分别表示所选弹簧所能承受的最小预张力长度和最大张力长度，这决定了任意RSEE配置下的RRSEAns的工作空间。配置弹簧预张力长度时，最大输出扭矩为30.4N·m，最大偏转角为31.4°。刚度范围为0.095～2.18N·m/°。带偏移角配置时，输出扭矩最大，为36.5N.m，最大偏移角为31.4°。刚度范围为0.095N·m/°～2.33N·m/°。仿真结果清楚地显示了该系统的性能界限和特性。最后，从图中可以看出，性能随RSEE配置的不同而变化。
为了验证运动学模型的准确性，在台架试验系统上进行了准静态试验，将RSEE的实验转矩-偏转特性与式(4)的理论结果进行了比较。试验过程中，将扭矩传感器连接到RSEE输出板上测量实际输出转矩，同时使用两个绝对编码器测量RSEE的偏转角。为了评估不同配置下RSEE的扭矩-偏转特性，我们分别进行了4次测量，预张力长度分别为0.5mm和2.0mm，偏移角度分别为10°和20°，如图13(b)所示。图中点、黑色虚线和实线分别代表实验结果、拟合曲线和理论结果。实验与理论结果对比发现，4种构型的均方根误差分别为0.28、0.21、0.24、0.22N·m，分别小于峰值载荷的3.6％、2.2％、2.6％、2.1％。实验数据的拟合曲线与理论预测结果的密切相关表明，运动学模型是准确的。
在图13中，图(a)显示了两个可调变量对RRSEAns输出扭矩和刚度影响的仿真结果。白色实线表示所选弹簧所能承受的最大张力，表示RRSEAns的工作空间。上图：输出扭矩τe与预张力长度ΔL和偏转角β的关系；刚度Keq与预张力长度ΔL和挠度角β的关系。下图：输出扭矩τe与偏移角φ和偏转角β的关系；刚度Keq与偏移角φ和偏转角β的关系。图(b)为实验结果对模型的验证，其中点、黑色虚线和实线分别为实验结果、拟合曲线和仿真结果。左图为实验结果，右图为拟合曲线与仿真结果的对比。上图：可变预张力长度的配置。下图：配置可变偏移角φ。
从图13可以看出，通过改变RSEE结构，可以显著调整RRSEAns的刚度性能。对于构型1(图11，图(c))，随着预紧长度的增加，非线性变弱，相同偏转角下的输出扭矩和刚度增大。请注意，即使有较大的预张力长度，刚度轮廓仍然是非线性的。对于配置2(图11，图像(d))，与配置1相比，具有偏移角的RSEE能够在更大的范围内改变其刚度性能。随着偏移角的逐渐增大，可出现硬化、线性和软化模式，其中偏移角约为20°时可出现硬化模式，以提高pHRI的性能。
除了预张力长度和偏移角外，弹簧的数量对RSEE的性能也有显著影响。相同偏转角下的输出扭矩和刚度与弹簧数量成正比。因此，通过选择不同数量的弹簧，可以实现不同的刚度和输出扭矩范围。例如，根据运动学模型，配置2在相同偏转角下的输出扭矩和刚度是具有相同的偏移角的配置3(图11,图(e))的1.5倍。
接下来，电机控制被认为控制转矩控制。从电机到RRSEAns的输出的等效动力学如图14所示，其中非线性刚度记为式(6)中的Keq。RRSEAns从电机电流指令到输出转矩的动态模型可表示为：
式中τm为电机的输出转矩，Jm，bm，km分别为电机的惯量系数、阻尼系数和转矩常数，im为电机电流，Js为减速齿轮和旋转部件的惯量，为摩擦项。通过消去τm和θm，我们得到了当前指令对RRSEAns输出转矩的动力学为：
式中，τe通过公式(4)表示，根据公式(4)和公式(8)可知，转矩动力学的非线性主要来源于非线性刚度。
根据一些实施例，SBA包括用于控制电机驱动的控制器。控制器可以是如图15所示的比例-积分(proportional-integral,PI)控制器设计。PI控制器可以是级联PI控制器。转矩控制项PItorque是外环控制器，根据转矩跟踪误差从内环控制器PIvelocity生成命令。PIvelocity应根据反馈速度和期望速度进行快速速度跟踪。
外环控制器设计为:
其中s是拉普拉斯算子。
电机的PI速度-环控制器作为内环，具有较大的带宽。速度控制器设计为:
为获得速度值采用低通滤波器型微分器，设计为:
式中，ωc为截止频率。
为了验证级联PI控制器的有效性和鲁棒性，使用MAT-LAB/SimuLink软件进行了仿真。仿真结果表明，通过适当调整控制参数(Kpv，Kiv，Kpt，Kit)，可以实现精确的力跟踪。此外，由于内环带宽远大于外环带宽，级联PI控制器对扰动具有较好的鲁棒性。
在开环频率响应测试中，高刚度与高带宽相关。参考图16，图(a)，更高的非线性导致更低的带宽，因为在相同的偏转角下，高非线性对应于相对较低的刚度，如图13所示。如图16(c)所示，当RRSEAns的输出扭矩增大时，由于刚度增大，带宽增大。相比之下，图16的图(b)和图(d)所示的闭环带宽部分减小。在任何一种情况下，对典型人类运动的有效协助都在装置的操作能力范围内。
在转矩跟踪和阶跃响应测试中，面对正弦轨迹和阶跃响应，瞬态过程快速且令人满意。转矩控制结果表明，通过合理调谐的级联PI控制器，RRSEAns可以在不同配置下进行有效、准确的转矩跟踪。
在冲击载荷试验(如事故模拟)期间，RRSEAns输出扭矩的突然变化在短时间间隔(约0.25秒)内迅速恢复到所需值，没有抖振或不稳定趋势。
我们还测试了两种配置(一种是低非线性，另一种是高非线性)下的pHRI在三种情况下的性能：被动模式、透明(人类负责)模式和辅助(机器人负责)模式。在被动模式下，不给RRSEAns上电。在此模式下，由于初始位置周围的刚度较低，高非线性结构的反射力矩低于低非线性结构的反射力矩。这意味着具有高非线性的结构具有较低的机械阻抗。此外，两种配置的低反射扭矩证明了RRSEAns的高反向驱动性能。在透明模式下，将所需转矩设置为0，实现零阻抗控制和最小的人为交互力。两种构型均表现出较低的相互作用力矩，这表明在透明模式下RRSEAns具有较高的顺应性。由于初始位置周围的刚度较低，具有高非线性的RRSEAns能够实现更平稳、更舒适的透明运动，这也验证了非线性刚度在pHRI中的优势。最后，在辅助模式下，致动器的基本功能被激活，即促进机器人的辅助。在本次试验中，两种配置的转矩误差都很小，线性度高的配置实现了准确的转矩跟踪，且偏转角误差较小。
可调刚度轮廓是当前RRSEAns的一个重要特征。调整可以通过改变RSEE的配置来实现。基于可调刚度轮廓可以实现任务化优化，不同的刚度轮廓适用于不同的应用。例如，高非线性的结构可能更适合用于上肢康复或其他需要低阻抗和精确控制作用力的辅助任务的机器人。在下肢外骨骼的情况下，旨在纠正具有中等或低非线性的异常步态配置可能是一个更好的选择，导致更小的位置误差，更大的扭矩输出和带宽。
应理解的是，所描述的实施例的各个方面的许多进一步修改和排列是可能的。因此，所描述的方面旨在包含在所附权利要求书的精神和范围内的所有此类变更、修改和变化。
在本说明书和随后的权利要求书中，除非上下文另有要求，单词“包括”以及诸如“包括”和“包含”的变型将被理解为暗示包括所述的整数或步骤或整数或步骤组，但不排除任何其他整数或步骤或整数或步骤组。
本规范中对任何先前出版物(或从中获得的信息)或任何已知事项的引用，不是，也不应被视为承认、承认或任何形式的暗示，即该先前出版物(或从中获得的信息)或已知事项构成了本规范所涉及的努力领域的共同常识的一部分。
Claims (16)
1.一种可重构的旋转串联弹性元件(RSEE)，包括：
内张力弹簧安装座；
外张力弹簧安装座；和
多个张力弹簧，其连接在所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座之间；
其中，每个弹簧与所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座中的一个或两个连接的位置：
可以改变以调整所述RSEE的输出转矩与偏转角之间的关系；和
被配置使得在所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座的相对旋转期间，至少一个所述张力弹簧中的张紧量不同于至少另一个所述张力弹簧中的张紧量。
2.根据权利要求1所述的旋转串联弹性元件，其中，所述内张力弹簧安装座为内板，并且其中，所述外张力弹簧安装座包括两个外板，所述内板设置在两个所述外板之间。
3.根据权利要求1或2所述的旋转串联弹性元件，其中，所述外张力弹簧安装座包括多个间隔的连接孔，所述多个间隔的连接孔限定了位置，在所述位置处，所述张力弹簧可以被选择连接到所述外张力弹簧安装座。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的旋转串联弹性元件，其中，每个张力弹簧通过连接轴联接到所述外张力弹簧安装座。
5.根据权利要求4所述的旋转串联弹性元件，其中，每个张力弹簧限定了在所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座之间的夹角，并且其中，所述关系可以通过偏移一个或多个所述张力弹簧的所述角度来调整。
6.根据权利要求4或5所述的旋转串联弹性元件，其中，所述关系可以通过改变一个或多个所述张力弹簧的预紧长度来调整。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的旋转串联弹性元件，其中，所述关系可以通过改变在所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座之间添加或移除张力弹簧来调整。
8.根据权利要求2所述的旋转串联弹性元件，还包括设置在所述内板的相对两侧，并位于所述内板和所述外板之间的两个轴承。
9.一种串联弹性致动器(SEA)，包括：
根据权利要求1至8中任一项所述的RSEE；和
驱动组件，其用于驱动所述内张力弹簧安装座和所述外张力弹簧安装座中的一个。
10.根据权利要求9所述的串联弹性致动器，其中，所述驱动组件驱动所述内张力弹簧安装座。
11.根据权利要求9或10所述的串联弹性致动器，还包括用于容纳所述RSEE的外壳。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的串联弹性致动器，还包括用于测量所述内张力弹簧安装座的角度变化的第一角度测量器，以及用于测量所述外张力弹簧安装座的角度变化的第二角度测量器。
13.根据权利要求12所述的串联弹性致动器，其中，所述驱动组件包括用于提供驱动力的电机，嵌入式齿轮减速器，连接到所述内张力弹簧安装座和所述第一角度测量器的输出轴。
14.根据权利要求13所述的串联弹性致动器，还包括轴套，用于沿所述内张力弹簧安装座的旋转轴线固定所述输出轴的位置。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的串联弹性致动器，其中，每个角度测量器是编码器。
16.根据权利要求15所述的串联弹性致动器，其中，每个编码器是旋转编码器。
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