1. 研究目的与意义（文献综述）
1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）
1.1研究目的
目前，以工业机器人为代表的机器人技术已经达到了很高的水平并得到了很好的应用。但是当机器人在更为复杂的环境中应用时机器人的适应能力则存在着很大的不足。与工业环境不同，在医疗、服务以及野外等环境应用时往往要求机器人能够像人一样具有更为强大的环境适应能力。以往的研究和应用表明：解决上述问题不能像传统机器人那样，追求机器人的高刚度或保持机器人的刚度固定不变，而是应使机器人能够根据实际需要改变其自身的刚度。
变刚度关节由于关节刚度可调，因而相较于传统刚性关节和定刚度关节，具有更快阔的应用前景。同时，也因为需要实现刚度的调整，所以结构也更加复杂，单个关节系统需要两个电机，一个位置电机调节关节位置，一个调刚电机调节关节刚度。变刚度关节的这种特性，对其结构和控制提出了更高要求，传统的变刚度关节变刚度原理多为对抗弹簧以及杠杆原理等。其中对抗弹簧耗能较大；杠杆原理被采用的最多，但采用改变弹性端或负载端的力臂实现变刚度，其刚度变化范围有限，而改变杠杆支点位置能够实现刚度的大范围变化，从接近于零到接近于完全刚性。采用杠杆原理的变刚度关节结构较为复杂，且存在体积大，质量大，齿轮啮合间隙，滚子槽内滑动摩擦耗能大，滚珠丝杆响应慢等诸多问题。在控制研究上也还不够深入，轨迹跟踪实验不够理想。
针对现有变刚度原理应用中所存在的问题，本文提出了一种盘式凸轮-弹簧级联式的变刚度关节，其采用凸轮-弹簧串联结构，凸轮与滚子之间为滚动摩擦，具有结构简单，调刚能量小，刚度变化精细的特点，并进行其关节建模以及系统辨识。
1.2国内外的研究现状分析
国内外学者在变刚度关节方面已开展了大量的研究和探索提出了很多的理论方案和结构设计。大体上从关节的结构设计角度可以将相关的研究工作划分为以下几类：
1）基于气动人工肌肉的关节；
2）基于磁流变、电流变、形状记忆合金等功能材料的关节；
3）基于新型有机高分子材料的关节；
4）基于传统机械弹性元件的关节。
上述关节方案各有其优缺点现阶段也还没有哪一类关节的设计可以取代其他关节作为通用的关节设计来使用。相对而言机械弹性元件是传统元件，具有刚度特性好、承载能力强及成本低等优点。本文提出的盘式凸轮-弹簧级联式的变刚度关节也属于基于传统机械弹性元件的关节。
近年来，变刚度关节领域的发展逐渐引起人们的关注。相较于传统刚性关节和定刚度柔性关节，变刚度关节不仅具有关节柔性，而且刚度可调。目前，国内外研究主要针对变刚度关节的变刚度原理，结构以及控制算法设计等问题。就基于机械弹性元件的变刚度关节而言，有很多国内外学者的研究成果可供参考。首先，就国外而言:
1）德国宇航局（DLR）的Sebastian Wolf 和 Gerd Hirzinger，针对机器人在为之环境中，如碰到未预见的刚性障碍，会发生事故的问题，又如在人机协作中的安全性问题。而现有的机器人为了操作安全，往往存在运行速度慢，性能不佳的问题，提出了基于改变弹簧长度进而改变关节的刚度的VS-Joint（图1-1）和基于能量观点的变刚度关节FSJ。
该关节结构紧凑，并且高度整合的设计，具备很好性能的执行器。具有重量轻，结构紧凑稳定，允许被装配到类人机器人手臂系统，低摩擦，低惯量以便于弹簧机构的高带宽和较少的能量损失。该结构基于两个不同尺寸的电机，一个用于改变连杆位置，一个用于改变刚度预设值。高能电机通过谐波减速器与连杆相连，改变连杆位置。另一个更加轻小的电机用于改变刚度值。机构柔顺性体现在谐波减速器和关节基座之间能够产生相对灵活的转动；.
2）意大利技术研究所（IIT）及意大利理工学院的 Darwin G. Caldwell 教授基于一种弹簧组合设计开发了一种结构紧凑的柔性驱动单元AwAS-Ⅰ、AwAS-Ⅱ以及 CompAct-VSA。
该设计中，一个电机用于调节关节输出位置，而另一个电机负责调节其柔顺性。该结构的新颖之处在于调节刚度值的原理，其调节刚度的方式不是调节弹性元件的预紧力，而是通过一个线性驱动，改变弹性元件的作用位置来改变刚度值。
这种方式的好处在于改变刚度的支点移动方向与弹簧产生力的方向垂直，能够减小用于调节刚度值得能量需求，使得较小的电机就能够满足需求，从而减小结构的质量；
3）韩国高丽大学的 Jae-Bok Song 教授提出了混合双执行器单元（HDAU）。作为一种新型的变刚度单元设计，该结构包括一个可调机械臂装置和一个驱动模块。通过在混合控制模块中齿轮的相对运动，关节的位置和刚度能都同时被调节。其大范围的非线性刚度变化通过可调节的机械臂装置来获得。其优点在于刚度调节响应迅速。由于其刚度值可以间接地被混合控制模块的位置控制调节，能够保持不变，不随被动倾斜角改变而改变。并于 2011年在次基础上，将其应用于柔性抓爪上，该结构由四个对称的杆件组成，通过估计混合变刚度执行器（HVSA）的力矩来计算抓取力，能够实现安全地抓取易碎品（图1-3）。
图 1-3 韩国高丽大学研制的混合双执行器单元和混合变刚度执行器
其次，就国内发展而言：
1）台湾大学的黄汉邦教授在 2012 年提出了变刚度外骨骼机器人系统（APVSER、AVSER），如图 1-4所示。应用于安全主被动肘关节复原中。该结构通过弹簧片和改变其有效长度来产生和调节刚度值，包括两个直流电机，分别用于调节关节位置和刚度。其根据肌电图信号，实现了不同的康复练习的控制，包括主动康复，主动辅助康复，被动阻力康复以及零阻抗康复；
2）北京航空航天大学的陶永等人提出了一种新型变刚度机器人关节（VSR-joint），如图 1-5 所示。该关节具有结构简单紧凑，高度集成，刚度调节响应快等特点。通过滚子的位置变化调整弹簧片的有效长度，来实现刚度调节的效果；
3）哈尔滨工业大学的郭伟副教授在 2013年通过径向槽和螺旋槽两个盘的相互旋转，将滑块的径向移动变成两个盘之间的相互旋转运动。该结构采用杠杆原理之一，支点位置不动，弹簧端位置不动，负载端位置改变的形式。该结构具有结构紧凑，形式新颖的特点，但由于采用该杠杆原理，导致其不能实现刚度的大范围改变，如刚度从零到无穷的改变。
图 1-6 哈尔滨工业大学研制的变刚度关节
综合国内外相关领域的研究现状并进行分析可知，近年来变刚度关节（执行器）领域已成为国内外研究热点。
这些结构设计都能够实现不同程度上的关节刚度变化，但也存在结构上复杂，体积较大，摩擦耗能大，变刚度范围小，控制上还不够深入等问题。在上述变刚度关节设计中与人体关节相比，很多研究主要关注变刚度功能的实现，而对关节结构布局的关注较少，有些关节在应用时受到很大的限制，不利于实际应用。
例如VS-Joint和HVSA 的变刚度部分设计虽然紧凑但电机位置不是很合理，增大了关节的轴向尺寸，不利于变刚度关节在人体上的应用，APVSEA 和AVSEA结构形状虽然比较符合人体手臂，但是其输出端的结构设计不是很稳定，运动平衡性不好。
1.3研究意义
目前，国内外研究关于变刚度关节的变刚度原理的种类有很多，但或多或少存在一些不足。有的虽然原理简单，但无法实现大范围的刚度改变，如柔性梁结构；有的虽然原理能够实现刚度从零到接近完全刚性的变化，但其结构相对复杂，存在对抗弹簧耗能大，滚子槽内滑动摩擦大，齿轮啮合传动间隙，滚珠丝杆传动响应慢等问题。
基于现有变刚度关节研究中，变刚度原理种类少，调刚范围小，动态响应慢；关节结构复杂，传动耗能大等诸多不足，本课题将提出一种凸轮-弹簧串联的变刚度关节，具有原理简单，性能优异，能够实现关节刚度的精确变化等特点，并基于模块化思想设计一个结构紧凑，传动系统设计合理的变刚度关节。
从仿生学的角度出发，研究出具有类似人类肌肉特性的变刚度（柔性）关节对提高机器人的安全性、环境适应性以及未来更好为人类服务具有重要的现实意义。
2. 研究的基本内容与方案
1．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
2.1研究的基本内容
3. 研究计划与安排
3.进度安排
第1-2周，完成文献调研；
第3-4周，3月15号前：完成开题报告及文献翻译；
4. 参考文献（12篇以上）
4．阅读的参考文献不少于15篇（其中近五年外文文献不少于3篇）
[1] tonietti g, schiavi r, bicchi a. design and control of a variable stiffness actuator for safe and fast physical human/robot interaction[c]//robotics and automation (icra), 2005: 526-531.
[2] m garabini, a passaglia, f belo. optimality principles in variable stiffness control: the vsa hammer[c]// international conference on intelligent robots and systems, 2011: 3770-3775.
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