【摘 要】
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根据机器人的未来发展趋势,人机协同工作的情况会日益增多,在与人接触时刚性机器人会产生交互的安全性不足、对于复杂环境的适应性差等问题。而变刚度关节因为含有弹性元件,可以使机器人具有较好的柔顺性、适应性和人机交互的安全性。本文针对被动负重外骨骼的设计需求,创新性地采用一种智能材料剪切增稠胶（Shear Thickening Gel,STG）,利用其在冲击或者剪切作用下可以自适应变刚度的特点,提出一种变
【基金项目】
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国家自然科学基金委员会“基于剪切增稠效应的被动变刚度关节设计原理及其在被动外骨骼中的应用研究”（项目编号:5207052644）；
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根据机器人的未来发展趋势,人机协同工作的情况会日益增多,在与人接触时刚性机器人会产生交互的安全性不足、对于复杂环境的适应性差等问题。而变刚度关节因为含有弹性元件,可以使机器人具有较好的柔顺性、适应性和人机交互的安全性。本文针对被动负重外骨骼的设计需求,创新性地采用一种智能材料剪切增稠胶（Shear Thickening Gel,STG）,利用其在冲击或者剪切作用下可以自适应变刚度的特点,提出一种变刚度关节的设计方法。主要研究工作包括:（1）STG的制备及其性能研究。制备出性能稳定的STG样品,对其进行应变扫描实验、频率扫描实验和温度扫描实验,来探究STG的储能模量、损耗模量、复合粘度和损耗因子等参数在不同条件下的变化规律,并对材料的流变性能和力学特性进行研究。（2）基于STG弹性组件,开展了结构设计、性能测试和建模分析。基于STG的力学性能,设计了STG弹性组件,并通过进行单轴压缩和动态加载实验,来研究不同的激励频率、激励振幅和材料组分含量对其变刚度和变阻尼特性的影响。结合等效非线性模型对弹性组件在剪切增稠状态下的力学性能进行表征和预测,为变刚度关节的设计提供理论指导。（3）提出了一种变刚度关节的设计方法。通过对典型变刚度机构的实现原理进行分析和总结,结合被动负重外骨骼的设计需求,提出一种基于三角形构型和STG弹性组件的变刚度关节设计方法。并对关节的结构参数和力学性能进行分析,对其实际应用具有重要的指导意义。（4）将变刚度关节集成于穿戴式实验平台,完成相关验证实验。设计和搭建了变刚度关节的穿戴式实验平台（被动负重外骨骼）,开展不同负重条件下的穿戴式行走实验,通过实验数据来评估外骨骼装置的辅助效果和关节的变刚度特性,对本文变刚度关节的设计方法进行了验证。
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