Load-Based Variable Transmission Mechanism for Robotic Applications

📄 arXiv: 2512.15448v1 📥 PDF

作者: Sinan Emre, Victor Barasuol, Matteo Villa, Claudio Semini

分类: cs.RO

发布日期: 2025-12-17

备注: 22nd International Conference on Advanced Robotics (ICAR 2025)

💡 一句话要点

提出基于负载的可变传动机制，提升机器人关节在动态负载下的性能

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 可变传动 机器人驱动 负载自适应 四杆联动 预张紧弹簧

📋 核心要点

  1. 现有可变传动系统依赖额外执行器主动控制，增加了机器人关节驱动的复杂性和重量。
  2. LBVT机制利用预张紧弹簧和四杆联动，无需额外执行器即可被动调节传动比，实现负载自适应。
  3. 仿真结果表明，LBVT机制在特定扭矩阈值下可提升高达40%的传动比，并实现扭矩放大。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种基于负载的可变传动（LBVT）机制，旨在通过动态调整传动比来增强机器人驱动性能，以响应外部扭矩需求。与需要额外执行器进行主动控制的现有可变传动系统不同，所提出的LBVT机制利用预张紧弹簧和四杆联动机构来被动地修改传动比，从而降低了机器人关节驱动系统的复杂性。通过基于仿真的分析评估了LBVT机制的有效性。结果表明，该系统在达到预定义的扭矩阈值时，传动比最多可提高40％，从而在需要时有效地放大关节扭矩，而无需额外的驱动。此外，仿真结果表明，当施加的力超过18 N时，会触发扭矩放大效应，突出了系统自主响应各种负载条件的能力。这项研究有助于开发用于机器人应用的轻量、高效和自适应的传动系统，尤其是在动态扭矩适应至关重要的腿式机器人中。

🔬 方法详解

问题定义：现有机器人关节驱动系统在面对动态变化的负载时，往往需要在高扭矩和高速度之间进行权衡。传统的可变传动系统虽然可以解决这个问题，但通常需要额外的执行器进行主动控制，这增加了系统的复杂性、重量和能量消耗。因此，如何设计一种轻量、高效且能够自适应负载变化的传动系统是一个关键问题。

核心思路：本文的核心思路是利用一个基于负载的可变传动（LBVT）机制，通过被动的方式根据外部扭矩需求动态调整传动比。该机制的核心在于一个预张紧弹簧和四杆联动机构，它们能够根据负载的大小自动改变传动比，从而在需要高扭矩时提供更高的传动比，而在需要高速度时提供更低的传动比。

技术框架：LBVT机制主要由以下几个部分组成：一个预张紧弹簧，用于提供初始的传动比；一个四杆联动机构，用于根据负载的大小改变传动比；以及输入和输出轴，用于连接电机和关节。当外部扭矩较小时，预张紧弹簧保持四杆联动机构在一个特定的位置，从而提供一个较低的传动比。当外部扭矩超过一个阈值时，预张紧弹簧开始压缩，四杆联动机构的位置发生改变，从而提供一个较高的传动比。

关键创新：LBVT机制的关键创新在于其被动式的负载自适应能力。与需要额外执行器进行主动控制的传统可变传动系统不同，LBVT机制完全依靠机械结构来实现传动比的动态调整，从而降低了系统的复杂性和能量消耗。此外，LBVT机制的设计也更加紧凑和轻量，更适合应用于机器人等对重量和体积有严格要求的场合。

关键设计：LBVT机制的关键设计参数包括预张紧弹簧的刚度、四杆联动机构的几何尺寸以及扭矩阈值的设定。这些参数需要根据具体的应用场景进行优化，以实现最佳的性能。例如，预张紧弹簧的刚度决定了传动比变化的灵敏度，四杆联动机构的几何尺寸决定了传动比的变化范围，而扭矩阈值则决定了何时开始改变传动比。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

仿真结果表明，LBVT机制在达到预定义的扭矩阈值时，传动比最多可提高40％，从而在需要时有效地放大关节扭矩，而无需额外的驱动。此外，仿真结果还表明，当施加的力超过18 N时，会触发扭矩放大效应，突出了系统自主响应各种负载条件的能力。这些结果验证了LBVT机制在提高机器人关节驱动性能方面的有效性。

🎯 应用场景

该研究成果可广泛应用于机器人领域，尤其是在需要动态扭矩适应的场合，如腿式机器人、外骨骼机器人和协作机器人。LBVT机制能够提高机器人的运动性能和能量效率，使其能够更好地适应复杂的工作环境。此外，该机制的轻量化设计也使其更适合应用于对重量敏感的机器人系统。未来，该技术有望在医疗康复、工业自动化和航空航天等领域发挥重要作用。

📄 摘要（原文）

This paper presents a Load-Based Variable Transmission (LBVT) mechanism designed to enhance robotic actuation by dynamically adjusting the transmission ratio in response to external torque demands. Unlike existing variable transmission systems that require additional actuators for active control, the proposed LBVT mechanism leverages a pre-tensioned spring and a four-bar linkage to passively modify the transmission ratio, thereby reducing the complexity of robot joint actuation systems. The effectiveness of the LBVT mechanism is evaluated through simulation-based analyses. The results confirm that the system achieves up to a 40 percent increase in transmission ratio upon reaching a predefined torque threshold, effectively amplifying joint torque when required without additional actuation. Furthermore, the simulations demonstrate a torque amplification effect triggered when the applied force exceeds 18 N, highlighting the system ability to autonomously respond to varying load conditions. This research contributes to the development of lightweight, efficient, and adaptive transmission systems for robotic applications, particularly in legged robots where dynamic torque adaptation is critical.