机械与传动前沿｜基于变刚度弹性执行器与准直齿轮的高性能传动系统：设计、控制与样机验证

栏目：机械与传动 · 适用：协作机械臂/轻载机器人/高速点胶与装配 · 难度：中高

摘要：本文为编译稿，面向工程落地。以一款变刚度系列弹性执行器（VSSEA） + 准直（Cycloidal）驱动的关节传动为例，给出结构方案、控制架构、关键参数、程序片段与样机测试数据。样机验证显示，在额定 0–20 N·m 负载范围内，可实现 角度跟踪 RMS ≈ 0.05°，冲击工况下通过变刚度策略将 overshoot 从约 25% 降低至 <10%，适用于对响应与安全性兼顾的前沿装备。目录
1. 背景与目标 · 2. 结构与系统架构 · 3. 建模与控制策略 · 4. 样机参数与实现 · 5. 实验与数据 · 6. 调参要点与工程注意 · 7. 快速落地参数表 · 8. 结论与扩展

一、背景与目标

在协作机械臂、高频分拣/点胶、医疗康复等场景中，执行器既要高精度高带宽，又要在意外接触时具备柔顺与抗冲击能力。为此，本文编译并整合两类前沿技术：可调刚度的系列弹性执行器与高承载、低背隙的准直（Cycloidal）传动，形成一套紧凑高效的关节级传动方案。

二、结构与系统架构

2.1 传动链

• 电机：高速无刷直流/永磁同期电机；
• 弹性测力元件：扭转弹簧或柔性梁，提供力矩感知与缓冲；
• 变刚度机构：通过预紧/杠杆比/凸轮等改变等效刚度；
• Cycloidal 准直齿轮：高承载、低背隙，简化多级减速；
• 传感链：双编码器（电机侧/输出侧）+ 位移/应变测力。

2.2 硬件清单（样机）

项目	规格	说明
电机	200 W，最高 6000 rpm	支持 48 V 直流母线
弹性元件	初始等效刚度 500 N·m/rad	可测角差进行力矩估计
变刚度机构	100–2000 N·m/rad	小型伺服致动调节预紧/杠杆
Cycloidal	i ≈ 1:50，效率≈85%	耐冲击，低回差
编码器	电机侧/输出侧各 1 只	支持力矩与背隙补偿
控制器	1 kHz 回路	扭矩内环 + 位置外环 + 刚度环

三、建模与控制策略

3.1 弹性与变刚度建模

设电机侧角度 θ_m、输出角度 θ_o、弹性角差 θ_e=θ_o−θ_m，等效刚度 k(u) 随控制量 u（预紧/杠杆）变化，则：

τ = k(u) · θ_e
I_o · θ̈_o + b_o · θ̇_o + τ_load = η · τ

3.2 控制架构

• 位置外环：对 θ_o 轨迹进行 PID/前馈控制，输出目标扭矩 τ_ref；
• 扭矩内环：以角差估计的 τ 跟踪 τ_ref；
• 刚度环：根据冲击/交互条件调整 k(u)，在响应与安全性间动态折中；
• 补偿：针对 Cycloidal 微非线性/摩擦，做扭矩/角度误差的学习型补偿。

3.3 关键伪码（结构化文本）

// 每 1 ms 调度
// 角差与扭矩估计
theta_e   = theta_o - theta_m;
tau_est   = k_of(u) * theta_e;

// 位置外环 → 目标扭矩
tau_ref   = PosPID( ref_theta_o, theta_o, theta_o_dot );

// 扭矩内环
u_motor   = TorquePI( tau_ref - tau_est );

// 刚度调节（基于工况/碰撞检测）
u        += Kk * impact_observer(theta_o, tau_est);

// Cycloidal 误差补偿（查表/微模型）
u_motor  += f_comp(theta_o, theta_m, sign(theta_o_dot));

四、样机参数与实现

项	初值/范围	备注
刚度范围	100–2000 N·m/rad	低刚度优先安全，高刚度优先响应
扭矩额定	0–20 N·m	轻载协作工况
位置环	Kp=8, Ki=0.2, Kd=0	先 P 再 I，起步禁 D
扭矩环	Kp=0.6, Ki=50	视电机/采样换算
滤波	一阶 LPF τ=80–120 ms	张力/角差测量链
输出限幅	±100%	防积分饱和与冲击

五、实验与数据

5.1 测试项目

• 静态扭矩线性（多刚度档位）；
• 正弦跟踪（1 Hz，±10°）；
• 阶跃/碰撞冲击响应（±10 N·m 突加负载）；
• 刚度快速切换稳定性（低↔高）。

5.2 数据摘录

指标	结果	说明
扭矩-角差线性	偏差 < ±2%	k(u) 档位校准后
角度跟踪 RMS	≈ 0.05°	1 Hz 正弦，±10°
峰值误差	< 0.12°	同上
冲击 overshoot	低刚度 < 10%	高刚度约 25%
刚度切换时间	≈ 10 ms	切换稳定无异常振荡

六、调参要点与工程注意

• 先标定后调参：先做 k(u) 档位标定与回归，再上位置/扭矩环。
• 滤波先行：角差/力矩链加 LPF，τ 过小易噪声放大，过大则相位滞后。
• 禁 D 起步：位置环先 P→I，避开结构共振；冲击工况再评估微分。
• 补偿闭环：对 Cycloidal 非线性/摩擦做查表或小模型补偿，迭代收敛。
• 机械细节：偏心轮/滚子配合精度、热膨胀与润滑对回差与磨耗影响显著。

七、快速落地参数表（可直接抄作初始值）

类别	参数	建议初值	备注
刚度标定	k(u) 档位	100/300/700/1200/2000	N·m/rad，五档
位置环	Kp, Ki	8, 0.2	按负载/惯量微调
扭矩环	Kp, Ki	0.6, 50	匹配电流环带宽
滤波	LPF τ	100 ms	80–120 ms 区间优化
限幅	LMN	±100%	防饱和
切换	刚度切换时间	10 ms	采用预设位姿

八、结论与扩展

本文编译的 VSSEA + Cycloidal 关节传动方案在样机层面验证了其高精度、高响应与抗冲击的综合优势，适合协作机械臂、柔顺交互与高速装配等前沿应用。后续可在以下方向扩展：

• 刚度自适应策略：基于负载/碰撞概率的在线优化；
• 更高带宽传感链：降低滞后、提升扭矩观测精度；
• 多关节协同：在臂-腕-手多级传动中一体化优化。

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