用绕线凸轮调节机械刚度的旋转机械装置

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随意函数。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讨论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备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备完美的线性度。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...