CN113211428B - 一种变刚度串联弹性驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变刚度串联弹性驱动装置及其控制方法，属于柔性传动技术领域，包括:驱动机构，往复机构，弹性输出机构，电源以及控制器。所述驱动机构主要由驱动电机，弹性联轴器和蜗轮蜗杆减速器组成；所述往复机构包括：支撑框架，滑块，直线滑轨和滚珠丝杠；所述弹性输出机构包括：驱动器外壳，直线弹簧，橡胶塞，位移传感器，记忆合金和方形滑块；所述电源分别与控制器，编码器，电机驱动器，位移传感器，记忆合金和驱动电机连接。本发明公开了一种变刚度串联弹性驱动装置及其控制方法，该驱动器的结构紧凑可靠，提高了系统的安全性，可以实现变刚度控制和关节缓冲能力，调节方式灵活，应用范围广等特点。

Description

一种变刚度串联弹性驱动装置

技术领域

本发明公开了一种变刚度串联弹性驱动装置及其控制方法，属于柔性传动技术领域。

背景技术

由于脑外伤、脊髓损伤及中风等疾病造成具有运动功能障碍的患者人数逐渐增多。这些患者不能像正常人一样进行站立、行走、蹲起等日常活动，只能长期卧床或坐轮椅。长此以往，患者容易产生肌肉萎缩、肢体压疮等其他病症。传统的康复治疗方法存在人员消耗大、康复周期长等问题。因此，为了缓解人员消耗大问题，康复机器人系统已成为国内外机器人领域的研究热点。随着机器人技术的不断发展，人们对康复机器人的安全性、适应性、柔顺性等特性的要求越来越高。柔性驱动装置将刚性输出变成柔性输出，可产生缓冲作用，纯刚性输出可能使得机器人在与环境刚性碰撞后，导致运动不匹配或不协调，产生人机对抗造成患肢的二次损伤，柔性驱动装置能够避免患肢的损伤并且提高人机交互的安全性。此外，柔性驱动装置的引入还能使机器人的步态更加自然协调，拓宽机器人的环境适应范围。现有的柔性驱动装置结构复杂、不易维护、调节范围有限且柔性不可控。

基于上述背景，迫切需要一种变刚度串联弹性驱动装置，以实现实时可控的机器人柔性驱动和控制变刚度输出的要求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有驱动方式结构复杂、不易维护、调节范围有限且柔性不可控，无法根据情况实时调节刚度输出的问题，提出一种结构紧凑、安全可靠、可调节范围广、调节方式灵活的变刚度串联弹性驱动装置及其控制方法。

本发明所要解决的问题是由以下技术方案实现的：

一种变刚度串联弹性驱动装置，包括：驱动机构，往复机构，弹性输出机构，电源以及控制器。

所述驱动机构主要由驱动电机和蜗轮蜗杆减速器组成，所述往复机构包括：支撑框架，滑块，滑轨和滚珠丝杠，所述支撑框架固定在所述蜗轮蜗杆减速器上，所述滚珠丝杠设置在所述轴承支架内，且一端通过所述蜗轮蜗杆减速器与驱动电机的主轴相连接，方形滑台内设有螺母，方形滑台通过螺母与滚珠丝杠螺纹连接，当滚珠丝杠转动时方形滑台沿直线滑轨移动。

所述弹性输出机构包括：驱动器外壳，直线弹簧，橡胶塞，记忆合金，位移传感器和方形滑台，所述电源分别与控制器、编码器和驱动电机电连接。

优选的是，所述支撑框架包括：轴承支架，滑轨支架，所述滑轨支架分别固定在两端的轴承支架上。

优选的是，所述外壳包括：蜗轮蜗杆减速器外壳和驱动器外壳。所述蜗轮蜗杆减速器外壳有轴承支架固定齿轮，驱动器外壳用于固定直线弹簧和固定连接件。

优选的是，所述方形滑台两端设有与所述橡胶塞连接的螺丝孔，且内部含有与所述滚珠丝杠配合的螺母，所述方形滑台沿滚珠丝杠移动。

优选的是，所述位移传感器，通过螺纹固定在所述轴承支架，通过直线轴承在所述蜗轮蜗杆减速器外壳上滑动。

一种变刚度串联弹性驱动装置控制方法，具体步骤如下：

步骤S10，基于人体运动关节的分析，确定电机的输出模式，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驱动电机理论输出力矩；

步骤S20，通过所述驱动器工作方式确定控制模式所需参数，从而确定所述记忆合金的电流大小；

步骤S30，由所述第一编码器和第二编码器之间的差值和弹性联轴器的弹性系数计算出所述驱动器驱动电机实际输出的辅助力矩，再与上述理论力矩比较；

步骤S40，通过所述实时位移传感器测量所述直线弹簧压缩长度，计算出直线弹簧产生的弹力反馈到控制器进行计算；

步骤S50，通过所述实时扭矩参数和控制模式所需参数确定修正电机的PWM；

步骤S60，得到所述驱动器驱动电机输出力矩下一步的变化方向；

通过控制器不断在步骤S10到步骤S60循环，使得所述驱动器电机输出的辅助力矩能够快速跟随人体关节变化。

优选的是，所述驱动器工作方式包括：刚性输出模式和性输出模式。

本发明的有益效果：本发明公开了一种变刚度串联弹性驱动装置及其控制方法，通过直线弹簧和弹性联轴器提供弹力，通过控制器调节电机输出，实现弹性机构的力矩输出实时控制和变刚度控制。与现有的弹性驱动相比，本装置具有结构紧凑可靠、可调节范围广、调节方式灵活、安全性高等特点。

附图说明

图1为本发明所述装置结构示意图；

图2为本发明所述驱动机构结构分解图；

图3为本发明所述弹性输出机构分解图；

图4为本发明所述往复机构结构分解图；

图5是本发明的控制方法流程图。

其中，1驱动机构，1-1蜗轮蜗杆减速器外壳 ，1-2第一编码器，1-3蜗杆，1-4蜗轮，1-5联轴器，1-6电机，1-7弹性联轴器，1-8螺丝杆，1-9轴，1-10轴承，2弹性输出机构，2-1位移传感器，2-2轴承支座，2-3橡胶塞，2-4驱动器外壳，2-5直线弹簧，2-6方形滑台，2-7记忆合金，3往复机构，3-1 直线轴承，3-2轴承支架，3-3滑轨支架，3-4直线滑轨，3-5第二编码器，3-6滑块，3-7滚珠丝杠。

具体实施方式

以下根据附图1-4对本发明做进一步说明：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明第一实施例在现有技术的基础上提供了一种变刚度串联弹性驱动装置。主要包括：驱动机构1，弹性输出机构2，往复机构3，电源以及控制器，接下来将逐一介绍以上提到的各机构以及与电源和控制器的连接方式。

首先将详细介绍驱动机构1的具体结构，如图2所示，其主要由电机1-6，蜗轮1-4蜗杆1-3和弹性联轴器1-7组成，电机1-6远离驱动轴的一端分别与PC端和控制器相连接的串行接口，电机1-6通过螺栓固定在蜗轮蜗杆减速器外壳1-1上，电机1-6的主轴与蜗杆1-3的第一接口相连，蜗轮1-4与蜗杆1-3配合，蜗轮1-4一端通过轴1-9与弹性联轴器1-7相连，蜗轮1-4另一端与第一编码器1-2连接。

接下来详细介绍弹性输出机构2，如图2所示，其包括位移传感器2-1，轴承支座2-2，橡胶塞2-3，驱动器外壳2-4，直线弹簧2-5，方形滑台2-6和记忆合金2-7，其中，

轴承支座2-2通过螺栓和螺母与驱动器外壳2-4固定，方形滑台2-6两侧设有螺纹孔，用于固定橡胶塞2-3，方形滑台2-6内部嵌入螺母与滚珠丝杠3-7配合。橡胶塞2-3用于固定直线弹簧2-5和记忆合金2-7的两侧，位移传感器2-1固定在轴承支座2-2，轴承支座2-2内嵌入直线轴承3-1， 用于连接位移传感器2-1。如图3所示，电源分别与控制器、位移传感器、记忆合金和驱动电机电连接。

往复机构3如图4所示，其包括：直线轴承3-1，轴承支架3-2，直线滑轨3-4，第二编码器3-5,滑块3-6，滚珠丝杠3-7。直线滑轨3-4上固定有3个滑块3-6，本实施例为1个直线滑轨3-4，3个滑块3-6上端分别有4个螺纹孔，直线滑轨3-4固定在滑轨支架3-3上通过螺纹连接，滑轨支架3-3固定在两端轴承支架3-2上。滚珠丝杠3-7一端通过轴承1-10安装在轴承支架3-2内且通过弹性联轴器1-7与蜗轮1-4相连接，当电机1-6的主轴转动时，蜗杆1-3随之转动，随后蜗轮1-4转动，最后滚珠丝杠3-7传动。其中方形滑台2-6内嵌入螺母与滚珠丝杠配合，方形滑台2-6两侧通过直线弹簧与驱动器外壳2-4连接，底部与直线滑轨3-4上的滑块3-6连接，当滚珠丝杠3-7转动，方形滑台2-6随之移动，驱动器外壳2-4沿着直线滑轨3-4反复运动。

一种变刚度串联弹性驱动装置控制方法，如图5所示，具体步骤如下：

步骤S10，判断驱动器工作模式，是否为柔性输出模式；

步骤S20，基于人体关节运动的分析，确定电机的输出模式，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；

步骤S30，通过所述驱动器工作方式确定控制模式所需参数，通过所述驱动电机参数和记忆合金的电流大小；

步骤S40，由所述第一编码器和第二编码器之间的差值和弹性联轴器的弹性系数可以计算出所述驱动器驱动电机所实际输出的辅助力矩，再与上述理论力矩比较；

步骤S50，通过所述实时位移传感器测量直线弹簧压缩长度，计算直线弹簧产生的弹力；

步骤S60，通过所述实时扭矩参数和控制模式所需参数确定修正电机的PWM；

步骤S70，得到所述驱动器主电机输出力矩下一步的变化方向；

通过控制器不断在步骤S10到步骤S70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关节运动的变化。

Claims (4)

1.一种变刚度串联弹性驱动装置，其特征在于，包括：驱动机构、往复机构、第一编码器、第二编码器、弹性输出机构、电源以及控制器；驱动机构主要由驱动电机、弹性联轴器和蜗轮蜗杆减速器组成，驱动电机设置在蜗轮蜗杆减速器上；往复机构包括：轴承支架、滑轨支架、直线滑轨、滑块和滚珠丝杠，直线滑轨固定在滑轨支架上，滚珠丝杠设置在轴承支架内，滚珠丝杠的一端通过弹性联轴器与蜗轮蜗杆减速器中的蜗轮输出端连接，滚珠丝杠的另一端通过轴承固定在轴承支架上并穿过轴承支架与第二编码器连接，第一编码器与蜗轮蜗杆减速器中的蜗轮输入端连接，滑块内设有螺纹通孔，滑块通过滑槽与直线滑轨连接，滑块通过滚珠丝杠转动沿直线滑轨移动；弹性输出机构包括：驱动器外壳、直线弹簧、橡胶塞、位移传感器、记忆合金和方形滑台，驱动器外壳的两侧凸起与驱动机构连接，轴承支架的内径端穿过滚珠丝杠，两端分别与方形滑台和驱动器外壳过盈配合连接，橡胶塞设于驱动器外壳的两侧用于固定弹簧，弹性联轴器将滚珠丝杠与蜗轮蜗杆减速器连接，滑块固定在直线滑轨上，电源分别与控制器、编码器和驱动电机连接，轴承支架、蜗轮蜗杆减速器支架和驱动电机支架都属于支撑框架，滚珠丝杠两端分别均匀固定搭载在两侧轴承支架上，轴承支架包括：橡胶塞、方形滑台和连接凸起，橡胶塞安装在轴承支架的两侧且与直线弹簧相配合，记忆合金与橡胶塞连接，方形滑台底部与滑块相连在直线滑轨上往复运动，往复机构，方形滑台两端设有直线弹簧，直线弹簧设有与滚珠丝杠相对应的滑动通孔，滑块沿滚珠丝杠移动。

2.根据权利要求1所述的一种变刚度串联弹性驱动装置，其特征在于，通过改变记忆合金中的电流改变温度，从而改变记忆合金的长度，进而改变驱动装置的刚性，位移传感器通过螺纹固定在驱动器外壳上，通过直线轴承在蜗轮蜗杆减速器外壳上滑动。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的一种变刚度串联弹性驱动装置的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤S10，基于人体关节运动的分析，确定驱动电机的输出模式，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，从而确定驱动电机理论输出力矩；

步骤S20，通过驱动电机工作方式确定控制模式所需参数，从而确定记忆合金中的电流大小；

步骤S30，由第一编码器和第二编码器之间差值和弹性联轴器的弹性系数计算出驱动电机实际输出辅助力矩，再与理论力矩比较；

步骤S40，通过位移传感器测量直线弹簧压缩长度，计算出直线弹簧产生的弹力；

步骤S50，通过扭矩参数和控制模式所需参数确定修正驱动电机的PWM；

步骤S60，得到驱动电机输出力矩下一步的变化方向；

通过控制器不断在步骤S10到步骤S60循环，使得驱动电机输出的辅助力矩能够快速的跟随人体关节变化。

4.根据权利要求3所述的一种变刚度串联弹性驱动装置的控制方法，其特征在于，所述驱动电机的工作方式包括刚性输出模式和柔性输出模式。

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