用绕线凸轮调节机械刚度的旋转机械装置

出现在文献中的大部分可调节弹簧都是基于对抗驱动的两个二次弹簧。当两个二次弹簧对抗性的连接在一起时，由此产生的系统实现了一个可机械调节刚度的线性弹簧行为。然而，一个有完美二次行为的非线性弹簧是很难实现的。在这篇文章中，合成一个非线性弹簧的使用机制被简化为函数生成问题。文章提出了一个实际的凸轮机构用在了非线性弹簧的合成上，一个分析的方案被用来计算必要的凸轮轮廓。设计、制造以及实验了利用凸轮机构的机械刚度可调的旋转弹簧，发现了比较好的线性行为，并且实验所得的弹簧刚度值与方案分析很好的吻合了。
介绍
带有机械可调刚度的弹簧已经被开发出来了，并且被应用到机器人上来提高行走机器人的能源利用效率，以及获得安全的人机交互工业机器人。几个不同的可调节弹簧装置已经被构造用以实现这些目的。在这些所有的应用中，人们都期望获得线性的弹簧行为，因为这样运动方程就会变成线性的，并且系统模型就会被简化。对于所有的弹簧常数都得到完美的线性行为时不可能的，并且许多已存在的设计只是近似线性弹簧行为。使用凸轮是这些可能实现旋转弹簧的方法中的一种，凸轮的转角是时间的任意函数。一个这种凸轮的早期使用是遇到复合的弓。从Allen发明这种“复合弓”开始，非圆凸轮变成了他们设计和从那时被使用不可缺少的一部分。这种类型的凸轮同样出现在Tidwell et al的作品中，那种凸轮上带有皮带和链条的机械装置，并称他们为绕线凸轮装置。在他们的设计中，缠绕在齿轮上的链条和齿轮被施加了一个恒定的作用力，这可以通过在链条或皮带的另一端悬挂一个附加的质量块来实现。在这个装置中，解析的计算了凸轮的轮廓线。Kobayashi 提出了一个理想的设计方法来使凸轮机构产生一个常力矩。在这个文章中，凸轮上缠绕的绳索保持在理想化的垂直状态。在另一个Lucieer和Herder写的相关的文章中，凸轮设计方法被用来研究得到可调节的机械补偿装置，并在患有神经肌肉疾病的病人的被动胳膊支撑的矫正产品中得到应用。
这篇文章的主要目的是用凸轮获得完美的二次弹簧，因此要获得一个刚度可调并且具有完美线性度的扭转弹簧。
方法
对抗驱动的两个刚度可调的二次弹簧在数学上保证了具有完美的线性度。为了解释这个观点，考虑一个可以绕O点旋转的滑轮。用绳或者绳索、皮带、链条将一个非线性直线弹簧连接到滑轮上。
2.1.用机构获得非线性弹簧
第二种方案也可以用不同的方法来理解。特别地，我们可以寻找一个机械系统使给定的弹簧特性变为我们需要的弹簧的特性。
实际上，当啮合点的相切角（压力角）比较小时，在增加轴向力的代价下，齿轮啮合在没有齿的条件下仍然可以工作。更重要的是，啮合曲线可以通过在两个表面不滑动恰好能滚动的条件下设计出来。纯滚动的充分必要条件是接触点总是处在通过两个旋转中心的轴线上。
2.2.凸轮机构
在弓箭比赛中中，复合弓使用一个非圆滑轮或凸轮来改变弓的弹簧特性。在一个典型的弓中，施加在弓上的力随着弓的被拉伸单调的增加。但是，当一个复合被拉伸时，施加在弓上的力首先增大到一个最大值，然后就开始减小。所以，当一个弓被拉满时，射手会承受比较小的力；当他计划射中靶子并且打算释放弓时。结果，射手使用复合弓相比使用那个经典的弓可以做出更准确的射击。尽管这两种弓使用类似的结构存储能量结构，但是由于在复合弓中使用了滑轮和凸轮，它们产生了不同形状的拉距曲线。
2.3.二次扭转弹簧的凸轮设计
两个二次弹簧的对抗驱动提供了获得刚度可调的扭转弹簧的可能性。为了构造这样一个弹簧，必须使用具有两个带有二次弹簧特性的扭转弹簧，可以通过已经提出的设计凸轮机构的方法来实现。
实验
可调刚度扭转弹簧实验室通过载重测试执行的。实验测量中，在扭转弹簧的主把手上有一个半圆滑轮。一条绳缠绕在这个滑轮上，扭转弹簧用一个省绳悬挂一个已知的负载。绳的伸长量用一个精度为0.5mm的尺子来测量，可以计算出相应的角变形。
这个模型已经测试了三个不通刚度值。实验步骤总结如下。刚度调节把手了从最低的设置旋转了12次，并获得了第一个刚度值。然后，刚度调节把手旋转另一个12次来获得第二个刚度值。最后，刚度调节把手旋转另一个12次来获得第三个刚度值。记录每次的刚度值和形变量。
结论
为了设计刚度可调的扭转弹簧，已经研究了使用机构综合一个非线性弹簧。问题是设计一个机构简化为函数生成问题。为在提出的装置中产生一个二次弹簧使用了一个凸轮装置，以使作为一个刚度可调的扭转弹簧工作。相比文献中提到的其他装置设计的函数生成问题，绕线弹簧凸轮机构更简单些，因为它仅仅包括两个元件：一个凸轮和一个滑轮。另外，为了获得期望的弹簧行为，必要的凸轮轮廓线可以通过理论计算出来。提供了二次弹簧的详细设计和基于对抗驱动的刚度可调的扭转弹簧的运行区域。凸轮的设计是获得一个二次扭转弹簧和实施对抗装置的关键问题。制造和实验了一个刚度可调的扭转弹簧装置模型。结果和理论公式很吻合，证实了刚度可调装置里合成二次弹簧的高效性。使用我提出的方法，在一个实用的运行区域中设计一个不同可调刚度范围的扭转装置时可能的。