Stroke-induced motor impairment often results in substantial loss of upper-limb function, creating a strong demand for rehabilitation robots that enable safe and transparent physical human-robot interaction (pHRI). Variable stiffness actuators are well suited for such applications. However, in most existing designs, stiffness is coupled with the deflection angle, complicating both modeling and control. To address this limitation, this paper presents a variable stiffness actuator featuring decoupled stiffness and output behavior for rehabilitation robotics. The system integrates a variable stiffness mechanism that combines a variable-length lever with a hypocycloidal straight-line mechanism to achieve a linear torque-deflection relationship and continuous stiffness modulation from near zero to theoretically infinite. It also incorporates a differential transmission mechanism based on a planetary gear system that enables dual-motor load sharing. A cascade PI controller is further developed on the basis of the differential configuration, in which the position-loop term jointly regulates stiffness and deflection angle, effectively suppressing stiffness fluctuations and output disturbances. The performance of prototype was experimentally validated through stiffness calibration, stiffness regulation, torque control, decoupled characteristics, and dual-motor load sharing, indicating the potential for rehabilitation exoskeletons and other pHRI systems.


翻译:中风导致的运动障碍常造成上肢功能严重丧失,这对实现安全透明人机物理交互的康复机器人提出了迫切需求。变刚度驱动器非常适用于此类应用。然而,在大多数现有设计中,刚度与偏转角相互耦合,使得建模与控制变得复杂。为克服这一局限,本文提出了一种用于康复机器人、具有解耦刚度与输出行为的变刚度驱动器。该系统集成了一种变刚度机构,该机构将可变长度杠杆与内摆线直线机构相结合,实现了线性扭矩-偏转关系以及从接近零到理论无穷大的连续刚度调节。它还包含一个基于行星齿轮系统的差动传动机构,可实现双电机负载共享。在此基础上,进一步开发了一种级联PI控制器,其中位置环项协同调节刚度和偏转角,有效抑制了刚度波动与输出干扰。通过刚度标定、刚度调节、扭矩控制、解耦特性以及双电机负载共享实验,对原型机的性能进行了验证,结果表明其在康复外骨骼及其他pHRI系统中具有应用潜力。

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