近日，星空游戏(StarSky Sports)官方网站机器人学院郭朝教授课题组在机器人柔性驱动关节研究领域取得重要进展，相关研究成果《A Novel Design of Compact Serial Variable Stiffness Actuator SVSA-III With Predefined Stiffness Profiles》（下载链接https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/11185248）发表于机器人学与机电一体化领域顶级期刊《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》（IF=7.3）。该研究提出了一种创新性的可变刚度驱动器设计方案，为解决机器人人机交互安全性和运动适应性问题提供了关键技术支撑。

随着机器人技术在康复医疗、智能制造等领域的广泛应用，如何确保机器人与人之间安全、自然的物理交互成为关键科学问题。传统刚性驱动器由于缺乏柔顺性，在意外碰撞时可能造成伤害，而现有的变刚度驱动器（VSA）往往存在体积庞大、结构复杂、刚度调节范围有限等局限性，限制了其在动态环境中的实用性。特别是对于需要高精度刚度控制的仿生机器人和外骨骼设备，如何实现紧凑结构下的宽范围、可定制刚度调节成为核心挑战。针对上述技术难题，郭朝教授团队提出的SVSA-III第三代串联可变刚度驱动器，实现了刚度可定制、结构更紧凑、响应更迅速的柔性变刚度驱动器性能突破。

图1 SVSA-III结构设计

研究团队基于可变力点变刚度原理，创新性地设计了双层滑动机构与阿基米德螺旋线结合的新型驱动器结构，通过调节力点位置实现刚度从最小值（0.3Nm/deg）到理论无穷大的连续可调。与传统设计方案相比，该驱动器将刚度调节电机固定于基座，而非随输出单元共同旋转，显著降低了转动惯量和能量消耗。同时通过阿基米德螺旋线几何建模，建立了驱动器刚度与螺旋角度的数学关系，使SVSA-III具备刚度曲线可定制的能力。这一特性使其能够精确模拟生物关节的刚度特性，为仿生机器人设计提供了全新解决方案。

图2 SVSA-III变刚度原理建模分析

研究表明，SVSA-III体积为0.94×10⁻³ m³，重量1.6kg，在紧凑性方面显著优于同类设计。实验验证表明，其刚度调节范围达到17.2-1065 Nm/rad，响应时间小于0.2秒，展现了较为优异的动态性能。在刚度跟踪实验中，SVSA-III成功复现了人体膝关节步态周期中的骨骼肌刚度变化规律，误差控制在合理范围内。扭矩跟踪实验显示，在不同刚度设置下（1.0、1.6、2.0 Nm/度），正弦扭矩跟踪的最大误差为总幅值的7.7%-9.9%。