可变刚度肢体机电肘部的设计、表征与验证
摘要
直观地，具有用户可控刚度的肢体机械装置可以模拟人类生理系统的内在行为，促进真实场景下的安全自然交互和任务适应性。然而，肢体机械装置的设计往往忽视了柔顺性，因为这会增加复杂度、重量以及所需的控制通道。本文聚焦于设计与实现一个与肢体机械装置兼容的重量、尺寸和性能的可变刚度执行器（VSA），以解决其作为肘关节的实现问题。虽然直接的仿生方法建议采用agonist-antagonist（AA）布局来复制双肌和三头肌的弹性驱动，但此方案并非最佳方案，因以适应残余肢体的多样形态。相反，我们采用AA布局制作一个完全包含于用户前臂内的肘部肢体机械装置，针对后跟臂切除术的患者。此外，我们引入了该设计的一个变体，其中两个电机被分割到上臂和前臂，以在生物仿肢体中更均匀地分布质量和体积，从而提高了对残余肢体更接近部位切除术患者的舒适度。我们对该方法进行了表征和验证，证明两种体系结构均满足肘部肢体机械装置的目标要求。该系统实现了预期的120°活动范围，实现了[2, 60] Nm/rad 的目标刚度范围，主动可提升最高3 kg。我们的新型设计通过减少多达50%的重量，实现了与当代肘部肢体机械装置相当的性能。案例研究表明，被动和可变柔顺性可能实现生物仿肢体在真实世界中的稳健和安全交互以及任务适应性。
引用
@article{arxiv.2412.03985,
title = {Design, Characterization, and Validation of a Variable Stiffness Prosthetic Elbow},
author = {Giuseppe Milazzo and Simon Lemerle and Giorgio Grioli and Antonio Bicchi and Manuel G. Catalano},
journal= {arXiv preprint arXiv:2412.03985},
year = {2025}
}
备注
This article has been accepted for publication in IEEE Transactions on Robotics. This is the author's version which has not been fully edited and content may change prior to final publication. Citation information: DOI 10.1109/TRO.2024.3492372