一种新型变刚度三自由度手腕的建模与控制

本研究介绍了一种变刚度三自由度驱动手腕的创新设计，其能够通过调节非线性弹性元件的有效长度来主动且连续地调整整体刚度。这种调节类似于人体肌肉的共收缩，且仅使用四个电机即可实现。所采用的机械结构造就了一种紧凑轻量且具有拟人特征的装置，使其潜在适用于假肢和人形机器人等应用。该设计旨在提升动态任务中的表现、改善任务适应性，并确保在与人及物体交互时的安全性。本文详述了所提设计的首次硬件实现，提供了对理论模型、机械与电子部件以及控制架构的深入解析。系统性能使用动作捕捉系统进行评估。结果表明，该原型机具有广阔的运动范围（屈曲/伸展为 $[55, -45]${\deg}，桡/尺偏为 $\pm48${\deg}，旋前/旋后为 $\pm180${\deg}），同时能够将刚度提升至三倍。此外，经过适当校准后，手腕姿态可通过旋转编码器和正向运动学模型利用多元线性回归重建。该重建的平均均方根误差为 6.6{\deg}，$R^2$ 值为 0.93。