CN109676600A - 一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器及其运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器及其运动控制方法，主要应用于康复医疗机器人，特别是针对外骨骼型下肢康复这种需要人机协同作业的机器人。本发明所设计的驱动器具有柔性驱动能力，相对于其它现有弹性驱动器，具有快速变刚度和阶跃变刚度的能力，结构相对简单紧凑，而且质量较轻。该驱动器能够减少外界的冲击，提高系统的能量利用效率和安全性，并且可以精准的测量系统的输出力矩。

Description

一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器及其运动控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体是一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器及其运动控制方法。

背景技术

随着现代机器人技术的快速发展，机器人已经不再局限于工业生产了，在服务、医疗、娱乐等许多领域涌现出了许多新型服务机器人，特别是在康复工程中应用机器人，它们与人体需要高度的耦合，辅助人体完成相应的动作，因而机器人的安全性、舒适性以及节能性备受关注。传统的刚性驱动器由于刚度大而且不可变性，其存在着能量转化效率低，碰撞安全性差等缺点，难以确保机器人在康复领域的高安全性要求。

研究发现，生物肌肉的机械控制性远远超过机械设备，一个关键的因素就是生物体具有适应环境的柔顺型和变刚度的能力。人类的骨骼肌系统具有机械性的调节自身刚度的能力。以人体肘关节为例，人类肘关节只有一个屈伸自由度，其之所以如此灵活就是因为它能机械性地调节关节刚度，可以根据不同的任务产生不同的刚度。骨骼肌系统控制刚度的原理是肌肉的拮抗驱动，肘关节的双向运动以及刚度的改变都是靠肱二头肌和肱三头肌的相互配合作用来完成的。肌肉作为人类关节的驱动器，具有变刚度的特点。因此从仿生学角度上说，需要引入柔性变刚度的驱动关节，用来模拟生物关节刚柔并济的肌肉骨骼系统。

柔性输出的特点在于，弹性元件能够在机器人关节的运行中储存和释放能量，具有缓冲作用，使得机器人在与外界环境发生碰撞冲击后，减少损伤，不仅降低了能量损耗，而且还具有安全性。变刚度能力使得机器人可以根据运动情况实时调节刚度，提高机器人在非结构环境下的适应能力。因此采用电机驱动的变刚度柔性驱动器对类人机器人性能的提高，解决新一代机器人的人机安全、提高系统的动态特性和节省能量消耗等关键问题有着重要的意义。

目前国内外对于变刚度柔性驱动器的研究已经取得了一些不错的进展，但是这存在一些问题，比如驱动器结构过于复杂，重量过重，以及快速变刚度的能力差，不能满足康复机器人，特别是需要结构简单、变刚度快速的外骨骼机器人的应用。因此需要研究轻量化、小型化、可快速变刚度的新型柔性驱动器。

发明内容 本发明的目的是提供一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器及其运动控制方法，以解决上述背景技术提出的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：包括动力输入机构、刚度调节机构及动力输出机构，所述动力输出机构为动力输出轴，刚度调节机构包括输入支撑元件、输出支撑元件、连接臂、滚珠丝杠螺杆、丝杠螺母、簧片结构、变刚度电机，其中：刚度调节机构中的输入支撑元件、输出支撑元件分别轴向固定并可周向转动，输入支撑元件、输出支撑元件中心轴线重合，输入支撑元件、输出支撑元件分别设有中心通孔，输入支撑元件、输出支撑元件之间通过数量大于一的多个连接臂连接，多个连接臂均匀分布于输入支撑元件、输出支撑元件中心通孔的中心轴线方向周围，多个连接臂形状相同，每个连接臂分别为连续变化的曲线形，每个连接臂中间分别设有随连接臂形状延伸的滑槽口；

动力输出轴由轴体和连接于轴体轴向一端的多个滑槽臂结构构成，多个滑槽臂结构均匀分布于轴体中心轴线的延长线周围，动力输出轴的轴体通过轴承同轴安装于所述输出支撑元件的中心通孔中，使动力输出轴轴向固定且动力输出轴与输出支撑元件能够相对周向转动工作配合，动力输出轴的滑槽臂结构伸入输入支撑元件、输出支撑元件之间，滑槽臂结构数量与连接臂数量相同，且滑槽臂与连接臂呈一一对应相对，由呈相对应的滑槽臂结构和连接臂构成滑动支撑机构，每个滑动支撑机构中滑槽臂结构和连接臂之间间距随连接臂形状变化；

刚度调节机构中的滚珠丝杠螺杆中有一段通过轴承同轴安装于输入支撑元件的中心通孔中，使滚珠丝杠螺杆轴向固定且滚珠丝杠螺杆与输入支撑元件能够相对周向转动工作配合，滚珠丝杠螺杆沿多个滑动支撑机构之间空间的中轴线延伸；

刚度调节机构中的簧片结构包括多个簧片，簧片一一对应滑动安装于滑动支撑机构，使簧片能够在对应的滑动支撑机构中连接臂的滑槽口和滑槽臂结构中滑动，丝杠螺母螺合装配在滚珠丝杠螺杆上，由滚珠丝杠螺杆位于多个滑动支撑机构之间空间部分提供丝杠螺母运动行程，多个簧片各自一端分别连接于丝杠螺母形成整体结构，并且多个簧片沿丝杠螺母周向均匀分布；

所述动力输入机构与刚度调节机构中的输入支撑元件传动连接，由动力输入机构提供动力使输入支撑元件带动连接臂、输出支撑元件整体转动，并且连接臂通过簧片扭转将扭矩传递至动力输出轴对应的滑槽臂结构，最终使动力输出轴在扭矩作用下转动，其中簧片位于对应滑动支撑机构中滑槽臂结构和连接臂之间的长度为产生扭矩的有效作用长度，同时丝杠螺母与簧片形成的整体结构随扭转后的簧片整体转动；

所述刚度调节机构中的变刚度电机与滚珠丝杠螺杆的轴向一端传动连接，由变刚度电机提供动力使滚珠丝杠螺杆转动；

所述刚度调节机构中的滚珠丝杠螺杆转动的角速度，与动力输入机构通过输入支撑元件、连接臂、簧片使丝杠螺母转动的角速度之间形成差值时，丝杠螺母沿滚珠丝杠螺杆轴向运动，使每个滑动支撑机构中滑槽臂结构和连接臂之间的簧片长度改变，即簧片的有效扭转长度改变，进而实现驱动器刚度变化，且刚度的变化随滑动支撑机构中连接臂形状呈连续曲线变化。

所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述连接臂在输入支撑元件、输出支撑元件中的连接分别为可拆卸连接。

所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述连接臂根据驱动器不同的工作环境设计为不同曲线形状，从而能够实现复杂刚度变化下驱动器刚度的快速跟随能力。

所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述连接臂为中间至少有一处呈阶跃突变的曲线形状结构，由此使刚度的变化随连接臂形状的阶跃突变呈现出至少有一处阶跃变化点的曲线，使驱动器具有阶跃变刚度能力。

所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述动力输入机构包括驱动器主电机、齿轮减速器、齿轮对，驱动器电机的主轴一端与齿轮减速器主轴一端传动连接，齿轮对的其中一个齿轮固定于齿轮减速器主轴另一端，齿轮对的另一个齿轮同轴固定于输入支撑元件，且齿轮对的两齿轮传动啮合，由此实现驱动器主电机的动力向输入支撑元件的传递。

所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述变刚度电机通过一个齿轮减速器、一组齿轮对与滚珠丝杠螺杆轴向一端传动连接，其中变刚度电机的主轴一端与所述齿轮减速器的主轴一端传动连接，齿轮对的其中一个齿轮固定于齿轮减速器主轴的另一端，齿轮对的另一个齿轮同轴固定于滚珠丝杠螺杆轴向一端，且齿轮对的两齿轮传动啮合，由此实现变刚度电机的动力向滚珠丝杠螺杆的传递。

所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述驱动器主电机的主轴另一端安装有第一角度传感器，变刚度电机的主轴另一端安装有第三角度传感器，所述动力输出轴与输出支撑元件之间安装有第二角度传感器，第一、第二、第三角度传感器分别与控制器电连接，控制器分别与驱动器主电机、变刚度电机电连接，由第一角度传感器检测驱动器主电机主轴的角度信息，由第三角度传感器检测变刚度电机主轴的角度信息，由第二角度传感器检测动力输出轴与输出支撑元件角度的差值，上述第一、第三角度传感器采集的角度信息，以及第二角度传感器检测的角度差值分别送入控制器，其中第二角度传感器检测的角度差值即反映簧片的扭转角度，控制器基于上述角度信息、角度差值控制驱动器主电机及变刚度电机的角速度，进而实现刚度、力矩的调节。

本发明中，所述输出支撑元件和输入支撑元件通过连接臂刚性的连接在一起，其能以相同的速度转动。

本发明中，所述可变刚度柔性驱动器，其主运动传递原理为：

驱动器主电机输出转矩通过齿轮对放大作用传递到输入支撑元件，所述输入支撑元件带动连接臂和输出支撑元件共同转动，连接臂转动带动在其上滑动的簧片的转动，通过簧片的柔性传递将转矩传递给簧片在其上滑动的动力输出轴前端的滑槽臂结构，从而推动整个动力输出轴的转动。

本发明中，可变刚度柔性驱动器，其变刚度的动作原理为：

所述滚珠丝杠螺杆与输入支撑元件通过双列角接触轴承轴向固定，所述丝杠螺杆在变刚度电机的带动下只能做周向的转动而不能做轴向的移动，所述丝杠螺杆的周向转动使得丝杠螺母沿轴向滑动，故而带动在所述丝杠螺母上固连的簧片沿轴向移动，基于所述连接臂的结构是不规则曲线结构，而所述动力输出轴前端的滑槽臂是直线结构，因而在簧片的轴向移动过程中，所述簧片用于传递扭矩的有效长度，即在所述连接臂滑槽口和所述动力输出轴前端的滑槽臂结构之间簧片的长度会改变，由于机构是采用至少一组对称机构，因而总改变长度是单侧改变长度的至少两倍。上述簧片用于传递扭矩的有效长度改变，从而调节所述可变刚度柔性驱动器的刚度。

本发明中，所述一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，最终由滚珠丝杠螺杆和丝杠螺母之间相对运动来实现刚度改变，其原理如下：

当主运动角速度w1即所述输入、输出支撑元件及中间连接臂带动簧片和丝杠螺母的旋转角速度不为零时，要想使所述丝杠螺母沿着丝杠杆轴向移动，其须在主运动角速度w1和变刚度电机带动丝杠螺杆旋转的角速度w2之间形成角速度差w3。上述具体的运动情况可分为以下：

(1) 、 主运动角速度w1与丝杠杆旋转的角速度w2方向相同时，w3=|w2-w1|,

此时，若设丝杠螺杆螺纹的导程为S,则上述簧片沿丝杆轴向运动的速度 V=w3*S，其运动方向视丝杆螺纹的旋向和上述两角速度的旋转方向而定。

(2) 、主运动角速度w2与丝杠杆旋转的角速度w2方向相反时，w3=|w2|+|w1|,

此时，上述簧片沿丝杆轴向运动的速度为V=w3*S，同样地，其运动方向视丝杆螺纹的螺旋方向和所述角速度差w3的方向而定。

本发明中，所述可变刚度柔性驱动器，其所述的连接臂具有可拆卸性，当柔性驱动器适用于不同的外部工作环境时，其最适合驱动器刚度的变化曲线也会有所差异，因此可以根据不同工况设计出不同曲线形状的所述连接臂，换装到所述变刚度柔性驱动器上，以增加所述可变刚度柔性驱动器快速跟随所需刚度变化的能力，使其相较于其它变刚度驱动器，系统的快速性有所提高。这是所述可变刚度柔性驱动器的一大特点。

特别地，所述连接臂还可以使得本发明可变刚度柔性驱动器具有阶跃变刚度的能力，当所述连接臂设计为在某一点处沿所述可变刚度柔性驱动器径向尺寸突然增加或减少X时，所述连接臂滑槽口和所述动力输出轴前端的滑槽臂结构之间径向距离会突然增加或减少X，固所述簧片滑动到此处时，簧片用于传递扭矩的有效长度会发生阶跃改变，因而可以使得该柔性变刚度驱动器具有阶跃变刚度的能力，这是本发明所述可变刚度柔性驱动器所特有的功能。

本发明中，所述可变刚度柔性驱动器，在输出轴一侧安装有第二角度传感器，所述第二角度传感器固定安装于所述输出支撑元件的左端面上，其转动部分与所述动力输出轴的后端固定连接，随动力输出轴的转动而转动。因而所述第二角度传感器所测的转动角为所述输出支撑元件与动力输出轴所转过的旋转角度之差，即所述簧片的扭转角度，因而本发明可以根据簧片的刚度计算得到此时动力输出轴的输出扭矩。

本发明中，所述可变刚度柔性驱动器，在所述变刚度电机的电机轴上同轴安装有第三角度传感器，当需要改变所述驱动器的刚度时，基于所述角度传感器的反馈信号，控制所述变刚度电机，实现对所述丝杠螺母上簧片位置的精确控制。

一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器的运动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、所述驱动器的运动控制方法，其驱动器主运动输出力矩控制方法：基于人体运动的分析，由生物力学分析计算出人体关节在整个运动周期内所需辅助力矩的大小，得到运动周期与辅助力矩对应关系，从而确定所述驱动器主电机理论输出的力矩；所述第二角度传感器测量的偏转角即为簧片所扭转的角度，由簧片的刚度可实时计算出所述驱动器主电机所输出的辅助力矩，与上述理论力矩比较，由此形成反馈控制，得到所述驱动器主电机输出力矩下一步的变化方向；此过程通过控制器不断的循环，使得所述驱动器主电机输出的辅助力矩能够快速的跟随人体运动的变化；

（2）、所述驱动器的运动控制方法，其驱动器主运动角度控制方法：基于人体运动分析，所述人体关节有多个自由度，且至少有一个自由度需随人体一个运动周期不同过程而改变；所述第一角度传感器测量所述驱动器主电机旋转的角度与速度，以此作为反馈信号控制驱动器所输出旋转的角度；

（3）、所述驱动器的运动控制方法，其驱动器变刚度运动的控制方法：基于人体运动的分析，当人体关节至少一个自由度转到一定的角度时需要改变驱动器的刚度，基于所述第三角度传感器的反馈信号，实时控制所述刚度调节电机，实现所述簧片在驱动器轴向位置准确定位，以改变所述驱动器刚度的变化；

（4）、所述驱动器的运动控制方法，所述辅助力矩控制、输出角度与速度控制、变刚度控制是相互耦合的关系，所述控制方法首先是基于驱动器当前角度位置的确定，即需要第一角度传感器所确定的驱动器角度信息，以此角度信息作为输入，根据人体生物力学分析所得到的人体关节运动时所需的辅助力矩、刚度变化值及关节运动时角度变化曲线，确定此角度信息下所述变刚度柔性驱动器所需输出的力矩、关节刚度和速度，并由所述第二角度传感器、第三角度传感器形成反馈信息，以此形成闭环控制。

本发明相较于现有技术，有如下优点：

本发明所涉及的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器通过滚珠丝杠控制丝杠螺母上簧片的轴向位置改变，以改变驱动器柔性传动过程中扭矩传递元件簧片的有效长度，以此达到柔性变刚度的目的。此变刚度方法新颖，简单高效。特别地，所述连接臂的形状可以根据不同的运动工况设计成不同的形状，此设计能够实现复杂刚度变化下驱动器刚度的快速跟随能力。所述可变刚度柔性驱动器还具有阶跃变刚度的能力，与其它现有的变刚度驱动器刚度的变化是连续的不同，本发明的驱动器变化可以通过所述连接臂曲线形状的突变达到所述阶跃变刚度的能力，使其能适合某些特殊的应用场合。

本发明所涉及的一种可变刚度柔性驱动器采用至少一组簧片的对称结构设计，此结构可使单侧的簧片长度改变扩大，使所述驱动器的刚度变化范围大大增加，能够适应多种环境，大大提高了柔性驱动器的通用性。此外柔性元件的采用还使得驱动器可以在某些位置利用所述簧片变形储存多余的能量，某些位置释放这些能量，提高了驱动器的能量利用效率。

附图说明

图1是根据本发明实施方式的驱动器立体结构示意图。

图2是根据本发明实施方式的箱体剖开后展示的驱动器内部结构示意图。

图3是根据本发明实施方式的驱动器主传动结构示意图。

图4是根据本发明实施方式的驱动器主传动零件爆炸图。

图5是根据本发明实施方式的驱动器变刚度传动结构图。

图6是根据本发明实施方式的驱动器变刚度传动结构爆炸图。

图7是根据本发明实施方式的连接臂结构示意图。

图8是根据本发明实施方式的驱动器的动力输出轴立体结构示意图。

图9是根据本发明实施方式的驱动器阶跃变刚度的结构示意图。

图10是根据本发明实施方式的阶跃变刚度特制的连接臂结构示意图。

图11是根据本发明实施方式的变刚度运动控制方法流程简图。

图12是根据本发明实施方式的驱动器运动控制流程图。

图中：1动力输入机构；2刚度调节机构；3动力输出机构；4驱动器主电机；4-1第一角度传感器；4-2齿轮减速器；4-3直齿圆柱齿轮对；4-4电机支架；5变刚度电机；5-1第三角度传感器；5-2齿轮减速器；5-3小电机支架；6一对锥齿轮；7齿轮箱体；8输入支撑元件；9-1，9-2一对圆锥滚子轴承；10滚珠丝杠螺杆；11丝杠螺母；12簧片；13连接臂；13-1阶跃变刚度连接臂；14输出支撑元件；15第二角度传感器；16动力输出轴；16-1动力输出轴后端；16-2动力输出轴前端；17箱体；18动力输出轴用双列角接触轴承；19滚珠丝杠螺杆用双列角接触轴承。

具体实施方式

下面结合附图将对本发明实施例作进一步地详细描述，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域内专业技术人员公知的现有技术。

如图1所示，一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，包括动力输入机构1、刚度调节机构2、动力输出机构3。 图2是将该驱动器箱体17剖开得到的驱动器内部结构示意图。展示了驱动器的内部构成。下面将对驱动器各个机构组成及连接方式依次展开介绍。

本发明示例性实施方式的动力输入机构1，主要包括齿轮传动机构和驱动器主电机部分，所述齿轮传动机构包括一对传动比为1：1.5的直齿圆柱齿轮4-3，用于传递并增加电机输出的扭矩，驱动器主电机部分主要由一台与驱动器主结构并行布置的驱动器主电机4，以及与电机配合的齿轮减速器4-2和第一角度传感器4-1，电机支架4-4组成。如图1，2所示，第一角度传感器4-1和齿轮减速器4-2分别安装于驱动器主电机4的两端，电机支架4-4通过螺钉配合将上述机构固定在齿轮箱体7上，直齿圆柱齿轮对4-3中的大齿轮安装于输入支撑元件8上，用于向驱动器传递主运动力矩。

本发明示例性实施方式的刚度调节机构2，包括一个输入支撑元件8，一个输出支撑元件14，一对连接臂13，以及变刚度电机5，滚珠丝杠螺杆10，丝杠螺母11和簧片12等部件。图5是根据本发明实施方式的驱动器变刚度传动结构示意图；图6是根据本发明实施方式的驱动器变刚度传动结构爆炸图；图7是根据本发明实施方式的连接臂结构示意图。如图所示，输入支撑元件8通过键槽配合与动力输入机构的直齿圆柱齿轮4-3中的大齿轮相配合，承接来自驱动器主电机4传递而来的输入扭矩，输入支撑元件8和输出支撑元件14通过中间的连接臂13相连接，如图7所示，连接臂13中间有滑槽口，两端为矩形块机构，通过矩形块接口固定连接输入支撑元件8和输出支撑元件14。簧片12通过配合中间固连于丝杠螺母11上，丝杠螺母11可以随着滚珠丝杠螺杆10的转动而沿着丝杠杆滑动，簧片12可以沿着连接臂13中的滑槽口和动力输出轴前端16-2的滑槽臂结构跟随丝杠螺母11在输入支撑元件与输出支撑元件之间来回滑动。如图6所示，滚珠丝杠螺杆10通过双列角接触轴承19轴向固定于输入支撑元件8的内筒壁中，使得滚珠丝杠的转动与输入支撑元件的转动互不影响，滚珠丝杠螺杆10通过一对锥齿轮6与变刚度电机上的齿轮减速器5-2的输出轴相连接。

本发明示例性实施方式的输入支撑元件8和输出支撑元件14，如图2所示，其通过一对圆锥滚子轴承9-1、9-2与箱体17相连接，使输入支撑元件8和输出支撑元件14可以相对外部箱体17周向转动而轴向固定。

本发明示例性实施方式的动力输出机构3，包括形状特制的动力输出轴16，图4是根据本发明实施方式的驱动器主传动零件爆炸图；图8是根据本发明实施方式的驱动器的动力输出轴立体结构示意图。如图8所示，动力输出轴由轴体结构的动力输出轴后端16-1，以及多个滑槽臂结构构成的动力输出轴前端16-2构成，动力输出轴前端16-2为与滚珠丝杠螺杆平行的滑槽臂结构，所述滑槽臂结构布置在丝杠螺母11和连接臂13中间，簧片12可以在其滑槽中自由滑动。其主要用以承接簧片12传递来的扭矩，带动动力输出轴转动。动力输出轴后端16-1为阶梯轴结构。如图4所示，阶梯轴结构通过双列角接触轴承18轴向固连于输出支撑元件14的圆筒壁内，使其可以与输出支撑元件14的转动分割开来。

在一个实施方式中，驱动器的主运动传递是与变刚度运动传递分割开来的。图3是根据本发明实施方式的驱动器主传动结构示意图；图4是根据本发明实施方式的驱动器主传动零件爆炸图。如图所示，其主运动传递特征为驱动器主电机4输出转矩通过齿轮减速器4-2和直齿圆柱齿轮对4-3的放大作用传递到输入支撑元件8，输入支撑元件带动连接臂13和输出支撑元件14共同转动，连接臂13转动带动在其上滑动的簧片12的转动，因为簧片12是在连接臂13的滑槽和动力输出轴前端16-2的滑槽臂结构之间滑动，因而通过簧片12的柔性传递可以将转矩传递给簧片12在其上滑动的动力输出轴前端16-2的滑槽臂结构，从而推动整个动力输出轴的转动，这一传递过程通过图4可以较为清楚的展示。

在一个实施方式中，驱动器的变刚度原理为通过改变柔性动力传递元件簧片12的有效作用长度来达到改变驱动器刚度的目的。图5是根据本发明实施方式的驱动器变刚度传动结构图。如图5所示，如前所述，在主运动传递过程中若需改变刚度，需要变刚度电机5输出转矩，带动滚珠丝杠螺杆10的转动，从而带动固连在丝杠螺母上的簧片沿滚珠丝杠螺杆移动，因而簧片12的有效作用长度改变，即图5中的H（动力输出轴前端滑槽和连接臂滑槽之间簧片的长度）改变。

在一个实施方式中，其变刚度特征在于，主运动转动的角速度w1即连接臂13旋转的角速度需和变刚度旋转的角速度w2即滚珠丝杠转动的角速度要满足不同的关系。图11是根据本发明实施方式的变刚度运动控制方法流程简图。如图所示，在主运动传动过程中，若需要变刚度，则需要两个电机所控制主运动w1与变刚度运动角速度w2差速运动，不需要变刚度时则同速运动。这是因为在运动过程中，若想实现丝杠螺母11在滚珠丝杠螺杆10上运动，需要两者的相对转速不为零，而丝杠螺母11的转速与主运动转速相同，滚珠丝杠螺杆10的转速就是变刚度运动转速，因而需要w1和w2的转速差w3。具体运动具体情况如下：

（1）、主运动角速度w1与滚珠丝杠螺杆10旋转的角速度w2方向相同时，w3=|w2-w1|，此时，若设滚珠丝杆螺纹的导程为S,则上述簧片沿丝杆轴向运动的速度 V=w3*S，其运动方向视丝杆螺纹的旋向和上述两角速度的旋转方向而定。

（2）、主运动角速度w1与滚珠丝杠杆旋转的角速度w2方向相反时，w3=|w2|+|w1|，此时，上述簧片沿丝杆轴向运动的速度为V=w3*S，同样地，其运动方向视滚珠丝杠螺杆螺纹的螺旋方向和所述角速度差w3的方向而定。

在一个实施方式中，驱动器还包括一个第二角度传感器15，如图5所示，第二角度传感器15的固定端安装于输出支撑元件14的左端面上，其转动部分与动力输出轴后端16-1固定连接，随动力输出元件的转动而转动。因而第二角度传感器15所测的转动角为输出支撑元件14与动力输出轴16所转过的旋转角度之差，即柔性簧片12的在传递主运动过程中的扭转角度，因而本发明可以根据簧片的刚度计算得到此时输出轴的扭矩。其与前述检测主运动转速与角度的第一角度传感器4-1和检测变刚度时丝杠螺母位置时的第三角度传感器5-1共同组成驱动器的检测反馈系统。

本发明所述的驱动器的连接臂13具有可拆卸性，当柔性驱动器应用于不同的外部工作环境时，其最优刚度变化曲线也会有所差异，因此可以根据不同工况设计出不同曲线形状的连接臂，换装到柔性驱动器上。此外本发明的驱动器还具有阶跃变刚度的能力。图9是根据本发明实施方式的驱动器阶跃变刚度的结构示意图；图10是根据本发明实施方式的阶跃变刚度特制的连接臂结构示意图。如图所示，当连接臂13设计为在某一点处沿可变刚度柔性驱动器径向尺寸突然增加或减少时，即设计为如图10所示的阶跃变刚度连接臂13-1时，阶跃变刚度连接臂13-1滑槽口和所述动力输出轴前端16-2的滑槽臂结构之间径向距离会突然增加或减少，当簧片12滑动到此处时，簧片用于传递扭矩的有效长度H会发生阶跃改变，因而可以使得该柔性变刚度驱动器具有阶跃变刚度的能力。

本发明主要用于康复医疗机器人，特别是适用于需要人机交互的下肢外骨骼机器人，人体在行走时，髋关节和膝关节的肌肉驱动刚度在不断的变化，以适应外部环境的改变。在对人体下肢进行动力辅助过程中，所述可变刚度柔性驱动器具有柔性输出，刚度可变等多种功能。

图12是以该驱动器应用于人体下肢外骨骼时驱动器运动控制流程图。如图12所示，驱动器运动控制的方法包括以下几个方面(以人体髋关节的辅助为例)：

（1）、驱动器主运动输出力矩控制方法：基于人体步态的分析，由生物力学分析计算出人体髋关节在整个步态周期内所需辅助力矩的大小，得到步态周期与辅助力矩对应关系，即力矩方程。第二角度传感器15测量的偏转角，可实时计算出驱动器主电机4所输出的辅助力矩，由此和计算出的理论力矩进行比较，形成反馈控制，得到所述驱动器主电机输出力矩下一步的变化方向。此过程通过控制器不断的循环，使得所述驱动器主电机4输出的辅助力矩能够快速的跟随人体步态的变化。

（2）、驱动器主运动角度控制方法：基于人体步态分析，人体髋关节有三个自由度，其中只有屈/伸自由度需要提供辅助力矩，屈/伸角度需随人体一个步态周期不同过程而改变，分析得到角度方程。由第一角度传感器4-1测量所述驱动器主电机4旋转的角度与速度，以此作为反馈信号控制驱动器所输出PWM信号。

（3）、 驱动器变刚度运动的控制方法：基于人体步态的分析，当屈/伸角度转到一定的角度时需要改变驱动器的刚度，基于所述第三角度传感器5-1的反馈信号，实时控制刚度调节电机5，实现簧片12在驱动器轴向位置准确定位，以改变驱动器刚度的变化。

（4）、 柔性驱动器的控制方法：辅助力矩控制、输出角度与速度控制、变刚度控制是相互耦合的关系，控制方法首先是基于驱动器主电机4当前角度位置确定，即需要第一角度传感器4-1所确定的驱动器角度信息，以此角度信息作为输入，根据人体生物力学分析所得到的人体髋关节行走时所需的辅助力矩、刚度变化值及髋关节行走时角度变化曲线，确定此角度信息下所述可变刚度柔性驱动器所需输出的力矩、关节刚度和速度。并由所述第二角度传感器、第三角度传感器形成得到反馈信息，以此形成闭环控制。

Claims (8)

1.一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：包括动力输入机构、刚度调节机构及动力输出机构，所述动力输出机构为动力输出轴，刚度调节机构包括输入支撑元件、输出支撑元件、连接臂、滚珠丝杠螺杆、丝杠螺母、簧片结构、变刚度电机，其中：刚度调节机构中的输入支撑元件、输出支撑元件分别轴向固定并可周向转动，输入支撑元件、输出支撑元件中心轴线重合，输入支撑元件、输出支撑元件分别设有中心通孔，输入支撑元件、输出支撑元件之间通过数量大于一的多个连接臂连接，多个连接臂均匀分布于输入支撑元件、输出支撑元件中心通孔的中心轴线方向周围，多个连接臂形状相同，每个连接臂分别为连续变化的曲线形，每个连接臂中间分别设有随连接臂曲线形状延伸的滑槽口；

动力输出轴由轴体和连接于轴体轴向一端的多个滑槽臂结构构成，多个滑槽臂结构均匀分布于轴体中心轴线的延长线周围，动力输出轴的轴体通过轴承同轴安装于所述输出支撑元件的中心通孔中，使动力输出轴轴向固定且动力输出轴与输出支撑元件能够相对周向转动工作配合，动力输出轴的滑槽臂结构伸入输入支撑元件、输出支撑元件之间，滑槽臂结构数量与连接臂数量相同，且滑槽臂与连接臂呈一一对应相对，由呈相对应的滑槽臂结构和连接臂构成滑动支撑机构，每个滑动支撑机构中滑槽臂结构和连接臂之间间距随连接臂形状变化；

刚度调节机构中的滚珠丝杠螺杆中有一段通过轴承同轴安装于输入支撑元件的中心通孔中，使滚珠丝杠螺杆轴向固定且滚珠丝杠螺杆与输入支撑元件能够相对周向转动工作配合，滚珠丝杠螺杆沿多个滑动支撑机构之间空间的中轴线延伸；

刚度调节机构中的簧片结构包括多个簧片，簧片一一对应滑动安装于滑动支撑机构，使簧片能够在对应的滑动支撑机构中连接臂的滑槽口和滑槽臂结构中滑动，丝杠螺母螺合装配在滚珠丝杠螺杆上，由滚珠丝杠螺杆位于多个滑动支撑机构之间空间部分提供丝杠螺母运动行程，多个簧片各自一端分别连接于丝杠螺母形成整体结构，并且多个簧片沿丝杠螺母周向均匀分布；

所述动力输入机构与刚度调节机构中的输入支撑元件传动连接，由动力输入机构提供动力使输入支撑元件带动连接臂、输出支撑元件整体转动，并且连接臂通过簧片扭转将扭矩传递至动力输出轴对应的滑槽臂结构，最终使动力输出轴在扭矩作用下转动，其中簧片位于对应滑动支撑机构中滑槽臂结构和连接臂之间的长度为产生扭矩的有效作用长度，同时丝杠螺母与簧片形成的整体结构随扭转后的簧片整体转动；

所述刚度调节机构中的变刚度电机与滚珠丝杠螺杆的轴向一端传动连接，由变刚度电机提供动力使滚珠丝杠螺杆转动；

所述刚度调节机构中的滚珠丝杠螺杆转动的角速度，与动力输入机构通过输入支撑元件、连接臂、簧片使丝杠螺母转动的角速度之间形成差值时，丝杠螺母沿滚珠丝杠螺杆轴向运动，使每个滑动支撑机构中滑槽臂结构和连接臂之间的簧片长度改变，即簧片的有效扭转长度改变，进而实现驱动器刚度变化，且刚度的变化随滑动支撑机构中连接臂形状呈连续曲线变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述连接臂在输入支撑元件、输出支撑元件中的连接分别为可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述连接臂根据驱动器不同的工作环境设计为不同曲线形状，从而能够实现复杂刚度变化下驱动器刚度的快速跟随能力。

4.根据权利要求1所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述连接臂为中间至少有一处呈阶跃突变的曲线形状结构，由此使刚度的变化随连接臂形状的阶跃突变呈现出至少有一处阶跃变化点的曲线，使驱动器具有阶跃变刚度能力。

5.根据权利要求1所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述动力输入机构包括驱动器主电机、齿轮减速器、齿轮对，驱动器电机的主轴一端与齿轮减速器主轴一端传动连接，齿轮对的其中一个齿轮固定于齿轮减速器主轴另一端，齿轮对的另一个齿轮同轴固定于输入支撑元件，且齿轮对的两齿轮传动啮合，由此实现驱动器主电机的动力向输入支撑元件的传递。

6.根据权利要求1所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述变刚度电机通过一个齿轮减速器、一组齿轮对与滚珠丝杠螺杆轴向一端传动连接，其中变刚度电机的主轴一端与所述齿轮减速器的主轴一端传动连接，齿轮对的其中一个齿轮固定于齿轮减速器主轴的另一端，齿轮对的另一个齿轮同轴固定于滚珠丝杠螺杆轴向一端，且齿轮对的两齿轮传动啮合，由此实现变刚度电机的动力向滚珠丝杠螺杆的传递。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器，其特征在于：所述驱动器主电机的主轴另一端安装有第一角度传感器，变刚度电机的主轴另一端安装有第三角度传感器，所述动力输出轴与输出支撑元件之间安装有第二角度传感器，第一、第二、第三角度传感器分别与控制器电连接，控制器分别与驱动器主电机、变刚度电机电连接，由第一角度传感器检测驱动器主电机主轴的角度信息，由第三角度传感器检测变刚度电机主轴的角度信息，由第二角度传感器检测动力输出轴与输出支撑元件角度的差值，上述第一、第三角度传感器采集的角度信息，以及第二角度传感器检测的角度差值分别送入控制器，其中第二角度传感器检测的角度差值即反映簧片的扭转角度，控制器基于上述角度信息、角度差值控制驱动器主电机及变刚度电机的角速度，进而实现刚度、力矩的调节。

8.一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器的运动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、所述驱动器的运动控制方法，其驱动器主运动输出力矩控制方法：基于人体运动的分析，由生物力学分析计算出人体关节在整个运动周期内所需辅助力矩的大小，得到运动周期与辅助力矩对应关系，从而确定所述驱动器主电机理论输出的力矩；所述第二角度传感器测量的偏转角即为簧片所扭转的角度，由簧片的刚度可实时计算出所述驱动器主电机所输出的辅助力矩，与上述理论力矩比较，由此形成反馈控制，得到所述驱动器主电机输出力矩下一步的变化方向；此过程通过控制器不断的循环，使得所述驱动器主电机输出的辅助力矩能够快速的跟随人体运动的变化；

（2）、所述驱动器的运动控制方法，其驱动器主运动角度控制方法：基于人体运动分析，所述人体关节有多个自由度，且至少有一个自由度需随人体一个运动周期不同过程而改变；所述第一角度传感器测量所述驱动器主电机旋转的角度与速度，以此作为反馈信号控制驱动器所输出旋转的角度；

（3）、所述驱动器的运动控制方法，其驱动器变刚度运动的控制方法：基于人体运动的分析，当人体关节至少一个自由度转到一定的角度时需要改变驱动器的刚度，基于所述第三角度传感器的反馈信号，实时控制所述刚度调节电机，实现所述簧片在驱动器轴向位置准确定位，以改变所述驱动器刚度的变化；

（4）、所述驱动器的运动控制方法，所述辅助力矩控制、输出角度与速度控制、变刚度控制是相互耦合的关系，所述控制方法首先是基于驱动器当前角度位置的确定，即需要第一角度传感器所确定的驱动器角度信息，以此角度信息作为输入，根据人体生物力学分析所得到的人体关节运动时所需的辅助力矩、刚度变化值及关节运动时角度变化曲线，确定此角度信息下所述变刚度柔性驱动器所需输出的力矩、关节刚度和速度，并由所述第二角度传感器、第三角度传感器形成反馈信息，以此形成闭环控制。