CN106618941A - 一种基于力位耦合的绳牵引串联弹性驱动器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于力位耦合的绳牵引串联弹性驱动器。其中包括滑轨、动板、压簧、磁栅尺、压力传感器、电缸、卷绳电机和绞盘。吊绳通过卷绳电机驱动的绞盘、电缸一侧的滑轮、动板上的滑轮、压力传感器顶端滑轮和拉力传感器，最终连接到目标物体上。此串联弹性驱动器只有一个自由度却需要完成位置随动和拉力控制两个目标，是典型的欠驱动系统，本发明采用绳牵引串联弹性驱动的设计，使用电缸同时控制吊绳的拉力和位置。通过在吊绳上串联一个弹性元件，将吊绳位置和吊绳拉力耦合起来，将吊绳位置和吊绳拉力的复合控制转化为对串入拉簧的形变量的控制，在位置跟随的同时实现精确的力输出控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于力位耦合的绳牵引串联弹性驱动器，一般用于机器人领域与康复医疗器械领域。
背景技术
在机器人辅助的康复训练中，机器人大多采用适应性控制算法为患者提供助力，这使患者有机会降低自己的主动努力，从而导致患者懈怠，产生惰性，降低康复效果。特别是对于中度或轻度神经损伤后有一定运动能力的患者，仅提供身体重力支撑的减重步行训练可以更加激发病人的主动参与，并有助于训练病人的步态和平衡控制能力，近年来得到更多的重视。
现有的绳悬吊式减重技术主要有两种：1.被动减重技术，由一个固定质量的配重提供一个固定的拉力，这种被动减重技术在患者运动过程中不仅不会减少患者的动态负载还会使其增加。2.主动减重技术，由卷绳电机通过绞盘始终保持吊绳上的拉力不变，这种方法改善了被动减重技术会增加患者动态负载的缺陷，但也没能减少患者在运动过程中的动态负载，无法达到良好的虚拟去质量效果。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新型的基于力位耦合的绳牵引串联弹性驱动器，通过模型分析和设计，解决上述缺陷。
本发明的技术方案如下：
基于力位耦合的绳牵引串联弹性驱动器，包括一个金属框架，在金属框架上平行安装有一对滑轨，所述滑轨上套装有两个动板，两个动板之间的滑轨上各套装有一个压簧，在金属框架的外侧安装有一个电缸，电缸的输出轴穿过该金属框架并与内侧紧邻的一个动板铰接，在金属框架该侧同时安装有滑轮a，另一动板上安装有滑轮b，在所述金属框架的相对电缸另一边外侧安装有一个卷绳电机，卷绳电机的输出轴通过联轴器与绞盘连接，用于悬吊的钢丝绳盘绕在绞盘上，钢丝绳的末端依次绕过滑轮a和滑轮b，最后绕过安装在金属框架底部的压力传感器顶端的滑轮c竖直向下连接于需要被提供拉力的目标物体。
在所述金属框架上安装有一个与滑轨平行的磁条，与磁条对应在两个动板上各安装有一个磁头形成磁尺。
所述的滑轮c与金属框架之间安装有一个压力传感器，用来测量通过滑轮c的钢丝绳上的拉力。
本发明的优点在于，设计了一种新的拉力控制驱动器，采用绳牵引串联弹性驱动方法，使用电缸同时控制吊绳的位置和拉力，是欠驱动系统，通过在吊绳上串联一个弹性元件，可以将吊绳的拉力和位置耦合起来，将吊绳拉力与位置的复合控制转化为对串入拉簧的形变量的控制。此外，为保证此驱动器在安全范围内运行，针对弹簧连接动板的结构设计了位置控制器。
附图说明
图1是基于力位耦合的绳牵引串联弹性驱动器的结构示意图。
图2是图1的俯视图，可以清晰的看到串联弹性驱动的结构。
图1和图2中，1电缸，2滑轮a，3滑轨a，4动板a，5压簧a，6动板b，7滑轮b，8绞盘，9联轴器，10滑轮c，11滑轨b，12磁条，13磁头a，14压簧b，15磁头b，16卷绳电机，17压力传感器。
图1和图2中的虚线为钢丝绳绕线路径。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细的描述
如图所示基于力位耦合的绳牵引串联弹性驱动器，包括一个金属框架，在金属框架上平行安装有一对滑轨，即3滑轨a和11滑轨b，所述滑轨上套装有两个动板，即4动板a和6动板b，两个动板之间的滑轨上各套装有一个压簧，即5压簧a和14压簧b，在金属框架的外侧安装有一个电缸1，电缸的输出轴穿过该金属框架并与内侧紧邻的一个动板如4动板a铰接，在金属框架该侧同时安装有2滑轮a，另一动板上安装有7滑轮b，在所述金属框架的相对电缸另一边外侧安装有一个卷绳电机16，卷绳电机的输出轴通过联轴器9与绞盘8连接，用于悬吊的钢丝绳盘绕在绞盘上，钢丝绳的末端依次绕过滑轮a和滑轮b，最后绕过安装在金属框架底部的压力传感器17顶端的10滑轮c竖直向下连接于需要被提供拉力的目标物体。
在所述金属框架上同时安装有一个与滑轨平行的磁条12，与磁条对应在两个动板上各安装有一个磁头即13磁头a和15磁头b形成磁尺。
该驱动器的工作过程
吊绳从卷绳电机16驱动的绞盘8出发，经过2滑轮a、7滑轮b、10滑轮c和拉力传感器17，最终通过人机连接单元(图中略)与患者相连，4动板a和6动板b分别通过轴承与3滑轨a和11滑轨b相连，两个动板可以分别在各自的滑轨上滑动。高精度磁栅尺(由磁条12、13磁头a和15磁头b组成)用来测量4动板a和6动板b之间5压簧a和14压簧b的弹性形变。10滑轮c与压力传感器17连接在一起，通过压力传感器可以间接测量出吊绳上的拉力，电缸1轴端与4动板a铰接安装在一起，电缸1通过4动板a压缩5压簧a和14压簧b。
该驱动器的动力传动过程为：通过电缸和卷绳电机对吊绳的拉力和位置进行控制。卷绳电机通过旋转控制轴端的绞盘来控制吊绳的收放，进一步控制吊绳上的拉力。电缸通过4动板a压缩压簧，压簧通过6动板b和7滑轮b将力作用在吊绳上，电缸从而可以被用来控制吊绳拉力。
综上所述，本发明的结构设计，采用绳牵引串联弹性驱动方法，将位置和力耦合，解决了只有一个控制自由度却需要完成位置随动和减重力控制两个目标的难题。
Claims (3)
1.一种基于力位耦合的绳牵引串联弹性驱动器，其特征是：该驱动器包括一个金属框架，在金属框架上平行安装有一对滑轨，所述滑轨上套装有两个动板，两个动板之间的滑轨上各套装有一个压簧，在金属框架的外侧安装有一个电缸，电缸的输出轴穿过该金属框架并与内侧紧邻的一个动板铰接，在金属框架该侧同时安装有滑轮a，另一动板上安装有滑轮b，在所述金属框架的相对电缸另一边外侧安装有一个卷绳电机，卷绳电机的输出轴通过联轴器与绞盘连接，用于悬吊的钢丝绳盘绕在绞盘上，钢丝绳的末端依次绕过滑轮a和滑轮b，最后绕过安装在金属框架底部的压力传感器顶端的滑轮c竖直向下连接于需要被提供拉力的目标物体。
2.根据权利要求1所述的基于力位耦合的绳牵引串联弹性驱动器，其特征是：在所述金属框架上安装有一个与滑轨平行的磁条，与磁条对应在两个动板上各安装有一个磁头形成磁尺。
3.根据权利要求1所述的基于力位耦合的绳牵引串联弹性驱动器，其特征是：所述的滑轮c与金属框架之间安装有一个压力传感器，用来测量通过滑轮c的钢丝绳上的拉力。
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