CN113442167B - 一种柔性变刚度弹性驱动器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性变刚度驱动器及其控制算法，基于两种不同刚度的弹簧和记忆合金线设计一种用于康复、助行类机器人的柔性变刚度驱动器，主要包括：驱动机构、往复传动机构、主动变刚度机构、驱动器输出机构、电源和控制器。通过PD控制器控制驱动机构中的伺服电机提供期望扭矩，扭簧带动往复传动机构中的圆形齿条和弹簧挡块往复运动，弹簧挡块推动主动变刚度机构实现输出杆往复运动。低刚度弹簧用于提供平均辅助力矩、减少输出阻抗和外部负载冲击，弹簧完全被压缩时，高刚度扭簧提供峰值力矩、提高系统带宽和增大扭矩范围。通过PID控制器控制记忆合金线的温度改变弹簧预压缩实现驱动器主动变刚度，提高驱动器的机动性和使用效率。

Description

一种柔性变刚度弹性驱动器及其控制方法

技术领域

本申请涉及一种驱动器，基于两种不同刚度的弹簧和记忆合金线设计一种用于康复、助行类机器人的柔性变刚度弹性驱动器。

背景技术

目前，国内外人口老龄化发展趋势严重，中风已成为导致人们肢体残障的主要原因之一，中风具有致残率高、年轻化趋势明显、危害性大等特点。患肢常伴有肌肉萎缩、肌无力、偏瘫等症状，严重危害患者身体和心理健康，给患者家庭及社会带来了沉重的经济负担。由于中风患者不像正常人一样进行站立、行走、蹲起等日常活动，为了帮助患者进行康复训练或者辅助行走，早日回归正常人生活，康复机器人需求不断增加。为了避免患肢在康复训练过程中受到二次损伤，柔性驱动装置不可或缺。

驱动器是助行、康复类机器人设计核心部件，它决定机器人的输出力矩、速度和性能。在传统工程应用中，驱动器大多数为纯刚性机构，纯刚性驱动器的优点是为机器人系统提供良好的控制精度、速度和可重复性，但纯刚性驱动方法在可控性、稳定性、机动性、反向驱动性和适应性等方面存在局限性，并且刚性机构对患者不安全和不友好，随着机器人与人类信息交互更加频繁，驱动器的柔性驱动和变刚度驱动愈发重要。

因此，基于上述背景，迫切需要设计一种柔性变刚度弹性驱动器，实现助行、康复类机器人柔性驱动和变刚度输出。

发明内容

本发明用于增大扭矩范围和提高驱动器性能，解决了驱动器无高机动性、柔性不可控和无法根据场景实时调节刚度输出的问题，提出一种紧凑型柔性变刚度弹性驱动器。

本发明所要解决的问题是由以下技术方案实现的：

一种柔性变刚度弹性驱动器，包括：驱动机构、往复传动机构、主动变刚度机构、驱动器输出机构、电源和控制器。

所述驱动机构主要由伺服电机、弹性联轴器和一对伞齿轮减速器组成；所述电机通过双头六角螺杆与齿轮箱固定；所述弹性联轴器两端分别连接伺服电机主动轴和主动伞齿轮轴，弹性联轴器起到过载保护的效果。所述主动伞齿轮轴与滚珠轴承内圈过盈配合固定，外圈与齿轮箱过盈配合固定。所述伺服电机通过弹性联轴器带动主动伞齿轮轴稳定转动。

所述往复传动机构主要由扭簧、轴、齿轮、圆形齿条、珠轴承、弹簧挡块、轴承底座和旋转编码器组成；所述扭簧两端分别插入被动伞齿轮轴通孔中和轴的上端通孔中，被动伞齿轮轴和轴插入扭簧上、下两端，使扭簧固定；所述轴与齿轮通过轴肩、轴套和弹簧挡圈进行轴向固定，通过平键进行周向固定，实现轴带动齿轮稳定转动；所述圆形齿条两端插入滑动轴承中，实现轴向滑动；所述弹簧挡块通过螺丝与两个圆形齿条进行周向固定，圆形齿条运动和弹簧挡块同时运动，实现齿轮带动圆形齿条上的弹簧挡块往复运动；所述轴的下端与滚珠轴承的内圈过盈配合固定，外圈与轴承底座过盈配合固定；所述轴承底座各端面通过螺丝与齿轮箱固定；所述轴下端面开槽，旋转编码器的主动轴插入轴的下端面开槽处；所述齿轮箱底面开槽用于固定旋转编码器，旋转编码器用于计算辅助扭矩。

所述主动变刚度机构主要由支撑座、弹簧和记忆合金线组成；所述弹簧两端插入支撑座的固簧槽中进行固定；所述记忆合金线两端通过顶丝与支撑座固定；所述接线孔用于导线与记忆合金线的焊接，放线槽用于导线的整理。所述主动变刚度机构通过记忆合金线来改变弹簧的预压缩，实现驱动器主动变刚度。

所述驱动器输出机构主要由上底板、下底板、左挡板、右挡板、前挡板、后挡板、输出杆、车轮和压簧组成；所述上、下底板的右端面通过螺丝与齿轮箱固定，前端面通过螺丝与限位外壳固定；所述左、右挡板的前端面通过螺丝与前挡板固定，后端面通过螺丝与后挡板固定；所述输出杆通过螺丝固定在前挡板中心位置，限位外壳限制输出杆的位置用于保护患者的安全；所述压簧和车轮依次压入左、右挡板的固簧槽中，车轮分别压入上、下底板的滑轨中，使左、右挡板实现往复运动，压簧起到缓冲、减震的效果；所述主动变刚度机构穿入圆形齿条中，固定在左、右挡板之间，弹簧挡块分隔主动变刚度机构；所述弹簧挡块推动主动变刚度机构往复运动的同时，主动变刚度机构推动左、右挡板往复运动，实现输出杆的往复运动。

优选的是，所述被动伞齿轮轴的下端适当位置开孔，轴的上端适当位置开孔，所述扭簧的两端分别插入被动伞齿轮轴的孔中和轴上端的孔中进行过渡配合，扭簧与被动伞齿轮轴和轴形成过渡配合，使扭簧固定。

优选的是，所述支撑座含有接线槽，用于导线与记忆合金线锡焊。支撑座含有放线槽，用于导线整理。

优选的是，所述限位外壳，用于限制输出杆的位置，保证患者安全。

优选的是，所述记忆合金线两端插入支撑座中，通过顶丝固定。

优选的是，所述在上、下底板有两行滑轨，用于左、右挡板在滑轨中滑动。

优选的是，所述压簧和车轮依次放入左、右挡板中的放簧槽中，将其压入上下底板的滑轨中，压簧起到缓冲减震的效果。

优选的是，所述弹簧挡块中的半圆从两端延伸，对主动变刚度机构轴向固定，防止主动变刚度机构接触圆形齿条。

一种柔性变刚度弹性驱动器控制方法可分为两部分，第一部分为驱动器被动变刚度控制，第二部分为驱动器主动变刚度控制。具体步骤如下：

第一部分：驱动器主动变刚度控制方法

步骤S10，利用嵌入式系统去调节等效电压U_in来实现改变记忆合金线的温度T_SMA的目的。

步骤S11，通过记忆合金线的温度T_SMA和Brinson的本构模型计算主动变刚度机构的输出力F₀。

步骤S12，设计PID控制器，主动变刚度机构目标输出力F_t和主动变刚度机构实际输出力F₀的差值通过控制器控制等效电压U_in，实现驱动器主动变刚度。

通过控制器在步骤S10到步骤S12循环，使驱动器实现主动变刚度控制。

第二部分：驱动器被动变刚度控制方法

步骤S20，基于人体步态的生物力学分析，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，从而确定在整个运动周期中所述驱动器驱动电机的目标输出力矩F_d。

步骤S21，当辅助力矩远小于峰值力矩时，扭簧为刚性元件，通过实时位移传感器测量所述弹簧压缩长度，计算出直线弹簧产生的实际弹力F₂。

步骤S22，设计PD控制器，使目标力矩和实际力矩做差，通过PD控制器控制电机达到目标输出力矩。

步骤S23，当辅助力矩近似达到峰值力矩时，弹簧完全被压缩，扭簧发生旋转，通过驱动器的编码器之间的差值计算所述驱动电机实际输出的辅助扭矩F₁。

步骤S24，设计PD控制器，使实际输出辅助扭矩和目标扭矩做差，通过PD控制器控制电机达到目标输出扭矩。

通过控制器在步骤S21到步骤S24循环，使驱动器实现被动变刚度控制。

本发明的有益效果：本发明公开了一种柔性变刚度串联弹性驱动装置及其控制方法，通过刚度很大的扭簧和刚度很小的弹簧实现驱动器的变刚度，解决了驱动器需要在大部分步态周期中提供小的平均扭矩，在小部分步态周期中提供较大的扭矩。通过记忆合金线改变弹簧的预压缩实现驱动器主动变刚度，实现人机耦合无缝对接和人机交互柔顺控制，为人机共融提供技术保障。

附图说明

图1为本发明所述装置机构示意图；

图2为本发明所述装置机构内部示意图；

图3-1、图3-2为本发明所述往复传动机构示意图；

图4为本发明所述主动变刚度机构分解图；

图5为本发明所述驱动器输出机构分解图；

图6为主动变刚度控制系统图；

图7为驱动器变刚度控制系统图；

其中，1电机，2弹性联轴器，3双头六角螺杆，4伞齿轮减速器，4-1被动伞齿轮轴，4-2主动伞齿轮轴，5齿轮箱，6往复传动机构，6-1旋转编码器，6-2滚珠轴承，6-3轴承底座，6-4圆形齿条，6-5齿轮，6-6轴，6-7扭簧，6-8平键，6-9轴套，6-6-1轴肩，6-6-2键槽，7限位外壳，8滚珠轴承1，9滑动轴承1，10滑动轴承2，11六角螺钉，12驱动器输出机构，12-1车轮，12-2压簧，12-3固簧槽1，12-4右挡板，12-5输出杆，12-6螺纹孔，12-7滑轨，12-8下底板，12-9前挡板，12-10左挡板，12-11上底板，12-12后挡板，13主动变刚度机构，13-1放线槽，13-2支撑座，13-3记忆合金线，13-4弹簧，13-5接线孔，13-6顶丝，13-7固簧槽2，14弹簧挡块。

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、图2所示，本发明第一实施例在现有技术的基础上提供了一种柔性变刚度弹性驱动器，主要包括：驱动机构、往复传动机构、主动变刚度机构、驱动器输出机构、电源和控制器，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。

首先详细介绍驱动机构的具体结构，如图1所示，主要由伺服电机1、弹性联轴器2、双头六角螺栓3和伞齿轮减速器4组成，伺服电机1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，伺服电机1通过双头六角螺栓3与齿轮箱5固定，弹性联轴器2的两端分别连接伺服电机1的主动轴和主动伞齿轮轴4-2，实现固定效果。滚珠轴承8的内圈与主动伞齿轮轴4-2过盈配合固定，滚珠轴承8的外圈与齿轮箱5过盈配合固定，实现伺服电机1通过弹性联轴器2带动主动伞齿轮轴4-2转动；主动伞齿轮轴4-2直径小于被动伞齿轮轴4-1，伞齿轮减速器4实现减速和增大扭矩的效果。

详细介绍往复传动机构6，如图2、3-1、3-2所示，主要由6-9轴套、6-8平键、6-7扭簧、6-6轴、6-5齿轮、6-4圆形齿条、6-3轴承底座、6-2滚珠轴承、6-1旋转编码器和14弹簧挡块组成，被动伞齿轮轴4-1和轴6-6在合适的位置进行开通孔，扭簧6-7上端插入被动伞齿轮轴4-1的通孔中，下端插入轴6-6上端的通孔中，轴6-6的下端与滚珠轴承6-2的内圈过盈配合固定。滚珠轴承6-2的外圈与轴承底座6-3过盈配合固定，轴承底座6-3通过螺丝与齿轮箱5固定，实现被动伞齿轮轴4-1通过扭簧6-7带动轴6-6进行转动。在齿轮箱的底面开圆形槽用于固定旋转编码器6-1，在轴6-6的下端面开槽插入旋转编码器6-1的主动轴，通过电机1内部编码器和旋转编码器6-1计算实际辅助扭矩。两个齿轮6-5通过平键与轴6-6进行周向固定，通过轴肩6-6-1、轴套6-9和卡簧与轴6-6进行轴向固定，轴套6-9起到分隔和轴向固定齿轮的作用，轴6-6带动齿轮6-6稳定转动。圆形齿条6-4在轴向穿入滑动轴承9和滑动轴承10，滑动轴承9的外圈与齿轮箱5过盈配合固定，滑动轴承10的外圈与挡板过盈配合固定，弹簧挡块通过螺丝与两个圆形齿条6-4固定，当圆形齿条6-4运动时，弹簧挡块14同时运动，实现齿轮6-5带动圆形齿条6-4上的弹簧挡块14往复运动。

主动变刚度机构13的具体机构，如图4所示，主要由13-2支撑座、13-3记忆合金线和13-4弹簧组成，主动变刚度机构有两个支撑座13-2，弹簧的两端插入支撑座13-2中的固簧槽13-7中，主动变刚度机构使用四根记忆合金线13-3，记忆合金线13-3两端插入支撑座13-2中，由顶丝13-6进行固定，记忆合金线13-3的两端线头与导线在接线孔13-5进行锡焊，导线放入放线槽13-2中进行整理固定。驱动器共有四个主动变刚度机构，依次插入两个圆形齿条6-4中，直至主动变刚度的端面与弹簧挡块14的端面接触，弹簧挡块14延长部分用于主动变刚度机构进行轴向固定，防止主动变刚度机构接触圆形齿条6-4。齿条运动时，弹簧挡块14推动主动变刚度机构往复运动。

驱动器输出机构12的具体机构，如图5所示，主要由12-1车轮、12-2压簧、12-5输出杆、12-8下底板、12-9前挡板、12-11上底板、12-10左挡板、12-12后挡板和12-4右挡板组成，上底板12-11和下底板12-8的右端面通过螺丝与齿轮箱5固定，前端面与限位外壳7固定。左挡板12-10和右挡板12-4前端面通过螺丝与前挡板12-9固定，后端面通过螺丝与后挡板12-12进行固定。输出杆12-5通过螺丝与前挡板12-9固定，限位外壳7的作用为限制输出杆12-5的位置，保护使用人员的安全。驱动器输出机构12含有8个车轮12-1、8个压簧12-2上下各四个，压簧12-2和车轮12-1依次放入左挡板12-10，右挡板12-4的固簧槽12-3中，其余压簧12-2和车轮12-1放入相应固簧槽中，将车轮12-1卡在上底板12-11和下底板12-8里的滑轨12-7中，使左挡板12-10和右挡板12-4在滑轨中进行往复运动。左挡板12-10和右挡板12-4分别有两个通孔，用于穿入圆形齿条6-4中，主动变刚度机构卡在左挡板12-10、右挡板12-4和弹簧挡块14之间，当圆形齿条6-4带动弹簧挡块14运动时，弹簧挡块14推动主动变刚度机构运动，主动变刚度机构推动左挡板12-10或者右挡板12-4在滑轨中往复运动，进而带动前挡板12-9上的输出杆12-5进行往复运动。

一种柔性变刚度弹性驱动器控制方法可分为两部分，第一部分为主动变刚度机构控制方法，如图6所示。第二部分为驱动器被动变刚度控制方法，如图7所示。具体步骤如下：

第一部分：驱动器主动变刚度控制方法

步骤S10，利用嵌入式系统去调节等效电压U_in来实现改变记忆合金线的温度T_SMA的目的。

步骤S11，通过记忆合金线的温度T_SMA和Brinson的本构模型计算主动变刚度机构的输出力F₀。

步骤S12，设计PID控制器，主动变刚度机构的目标输出力F_t和主动变刚度机构实际输出力F₀的差值通过控制器控制等效电压U_in，实现驱动器主动变刚度。

通过控制器在步骤S10到步骤S12循环，使驱动器实现主动变刚度控制。

第二部分：驱动器被动变刚度控制方法

步骤S20，基于人体步态的生物力学分析，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，从而确定在整个运动周期中所述驱动器驱动电机的目标输出力矩F_d。

步骤S21，当辅助力矩远小于峰值力矩时，扭簧为刚性元件，通过实时位移传感器测量所述弹簧压缩长度，计算出直线弹簧产生的实际弹力F₂。

步骤S22，设计PD控制器，使目标力矩和实际力矩做差，通过PD控制器控制电机达到目标输出力矩。

步骤S23，当辅助力矩近似达到峰值力矩时，弹簧完全被压缩，扭簧发生旋转，通过驱动器中编码器之间的差值计算所述驱动电机实际输出的辅助扭矩F₁。

步骤S24，设计PD控制器，使实际输出辅助扭矩和目标扭矩做差，通过PD控制器控制电机达到目标输出扭矩。

通过控制器在步骤S21到步骤S24循环，使驱动器实现被动变刚度控制。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。

Claims (2)

1.一种柔性变刚度弹性驱动器，其特征在于，包括：驱动机构、往复传动机构、主动变刚度机构、驱动器输出机构、电源和控制器；所述驱动机构主要由伺服电机、弹性联轴器和一对伞齿轮减速器组成，所述伺服电机通过双头六角螺杆与齿轮箱固定，弹性联轴器两端分别与伺服电机和主动伞齿轮轴连接；所述往复传动机构主要由扭簧、轴、齿轮、圆形齿条和弹簧挡块组成，所述扭簧的两端分别插入被动伞齿轮轴的孔中和轴上端的孔中进行过渡配合，扭簧与被动伞齿轮轴和所述轴形成过渡配合，被动伞齿轮轴和轴各穿入扭簧一部分，使扭簧固定，所述两个圆形齿条通过螺丝与弹簧挡块进行周向固定，实现齿轮带动圆形齿条上的弹簧挡块往复运动，所述弹簧挡块中的半圆从两端延伸，对主动变刚度机构轴向固定，防止主动变刚度机构接触圆形齿条；所述主动变刚度机构主要由支撑座、弹簧和记忆合金线组成，弹簧和记忆合金线两端与支撑座连接；所述支撑座含有接线槽，用于导线与记忆合金线锡焊；所述支撑座含有放线槽，用于导线的整理；所述记忆合金线两端插入支撑座，通过顶丝固定；所述驱动器输出机构主要由左挡板、右挡板、上底板、下底板，前挡板、后挡板、输出杆、车轮和压簧组成，左、右挡板前端面与前挡板固定，后端面与后挡板固定，上、下底板右端面与齿轮箱固定，车轮的支撑杆与压簧连接；所述上、下底板分别有两行滑轨，用于左、右挡板进行往复滑动，所述压簧和所述车轮依次放入左、右挡板中的放簧槽中，将其压入上下底板的滑轨中，压簧起到缓冲减震的效果，限位外壳，用于限制输出杆的位置，保证患者安全。

2.根据权利要求1中所述的一种柔性变刚度弹性驱动器的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤S10，利用嵌入式系统去调节等效电压U_in实现改变记忆合金线的温度T_SMA的目的；

步骤S11，通过记忆合金线的温度T_SMA和Brinson的本构模型计算主动变刚度机构的输出力F₀；

步骤S12，设计PID控制器，主动变刚度机构目标输出力F_t和主动变刚度机构实际输出力F₀的差值通过控制器控制等效电压U_in，实现驱动器主动变刚度；

通过控制器在步骤S10到步骤S12循环，使得驱动器实现主动变刚度控制；

步骤S20，基于人体步态的生物力学分析，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，在整个运动周期中，确定所述驱动器驱动电机的目标输出力矩F_d；

步骤S21，当辅助力矩远小于峰值力矩时，扭簧为刚性元件，通过实时位移传感器测量所述弹簧压缩长度，计算得到直线弹簧产生的实际弹力F₂；

步骤S22，设计PD控制器，使目标力矩和实际力矩做差，通过PD控制器控制电机达到目标输出力矩；

步骤S23，当辅助力矩达到峰值力矩时，弹簧完全被压缩，扭簧发生旋转，通过驱动器中的编码器之间的差值计算驱动电机实际输出的辅助扭矩F₁；

步骤S24，设计PD控制器，使实际输出辅助扭矩和目标扭矩做差，通过PD控制器控制电机达到目标输出扭矩；

通过控制器在步骤S21到步骤S24循环，使得驱动器实现被动变刚度控制。

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