可变刚度弹性多功能驱动器及其运动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种可变刚度弹性多功能驱动器及其运动控制方法，驱动器包括电机元件、制动元件和刚度调节元件，电机元件与制动元件输入轴连接，制动元件与刚度调节元件连接；刚度调节元件由电机、滚珠丝杠螺母、连杆、扭簧和角度传感器等部件组成，其中，电机与滚珠丝杠连接，螺母上设计有滑块，可沿着连杆上设计的导轨滑行，连杆与设计的扭簧连接，扭簧由内圈、柔性体和外圈组成，扭簧外圈与连杆连接，扭簧内圈与制动元件输出轴连接；方法是通过电机元件输出主动力矩，利用采用智能材料磁流变流体设计的制动元件输出可控制动力矩，通过刚度调节元件实时调节驱动器刚度，实现驱动器驱动、制动和刚度调节等功能。本发明专利技术适用于下肢康复医疗机器人。

Variable Stiffness Elastic Multifunctional Actuator and Its Motion Control Method

The invention discloses a variable stiffness elastic multi-functional driver and its motion control method. The driver includes motor element, brake element and stiffness adjusting element. The motor element is connected with the input shaft of the brake element, and the brake element is connected with the stiffness adjusting element. The stiffness adjusting element is composed of motor, ball screw nut and connecting rod. Torsion spring and angle sensor are composed of parts, in which motor is connected with ball screw, slider is designed on nut, sliding along guide rail designed on connecting rod, connecting rod is connected with designed torsion spring, torsion spring is composed of inner ring, flexible body and outer ring, torsion spring outer ring is connected with connecting rod, torsion spring inner ring is connected with output shaft of brake element. Connection; the method is to output active torque through motor components, output controllable braking torque by braking components designed with intelligent material magnetorheological fluid, and real-time adjust the stiffness of actuator through stiffness adjusting elements, so as to realize the functions of actuator driving, braking and stiffness adjusting. The invention is applicable to lower limb rehabilitation medical robot.

【技术实现步骤摘要】
可变刚度弹性多功能驱动器及其运动控制方法
本专利技术涉及下肢康复医疗机器人领域，具体是一种可变刚度弹性多功能驱动器及其运动控制方法。
技术介绍
当前，世界上由于脊髓损伤、中风、脑损伤以及截肢等疾病引起的具有下肢运动障碍的病人数量正逐渐增多。这些病人长期坐于轮椅上，不能如正常人一样进行日常活动，如站起/坐下和行走。长期以往，他们会产生褥疮、肌肉萎缩、骨质疏松症和冠心病等第二病症。另外，这些病人中有很多是年轻人，需要工作养家，从而给社会和家庭带来了很大的负担。机器人技术正逐渐应用于康复医疗领域。目前开发的下肢康复医疗机器人，如外骨骼机器人（包括下肢单关节外骨骼机器人）和假肢等，穿戴在患者身体外部，能够根据穿戴者运动意图为其提供可控制的辅助力矩，从而帮助患者进行康复训练和辅助行走。下肢康复医疗机器人是一种人机交互系统，在其使用过程中存在人-机交互作用以及人-机系统与地面的碰撞；另外，人在正常行走过程中，膝关节和踝关节通常被建立为弹簧模型，其刚度会随着人行走步态状态和环境等因素的变化而改变。驱动器是下肢康复医疗机器人的动力元件，其性能直接决定了机器人的功能。目前，国内外研究机构研发的下肢康复医疗机器人的驱动器，大多刚度比较高，不能有效的缓冲外界（如地面）对系统的冲击；有的采用弹簧以增加系统柔顺性，但是系统刚度也多是固定的，不能根据穿戴者运动情况进行实时调节。另外，现有的下肢康复医疗机器人在对运动障碍患者进行康复训练和辅助行走的过程中，其输出的制动力矩主要由电机产生，需要提供较大的电流，不仅能量效率比较低、能耗比较大，还存在安全隐患。因此，需要研究新型多功能驱动器，可以根据穿戴者行走步态状态、行走速度以及路面环境等变化通过结构而实时调节驱动器刚度，并且能够缓冲地面冲击、提高系统能量效率以延长其一次充电的工作时间。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可变刚度弹性多功能驱动器及其运动控制方法，具有驱动、制动和刚度调节功能。该驱动器能够实时调节系统刚度、减小外界对系统的干扰和冲击、提高系统能量效率和安全性，结构紧凑，并且可以精确地测得驱动器输出力矩。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：包括电机元件、制动元件、刚度调节元件，其中电机元件的电机轴与制动元件的输入端传动连接，所述刚度调节元件包括驱动器固定座、关节连接件、扭簧、连杆、螺母、导杆、丝杠、电机座、电机，其中扭簧整体设置在驱动器固定座中，扭簧由内、外圈及连接内、外圈的多个柔性体构成，所述制动元件的输出端伸入驱动器固定座中并同轴固定在扭簧的内圈中，扭簧和制动元件之间设有第一角度传感器，所述第一角度传感器固定安装于驱动器固定座上，其转动部分与制动元件输出端传动连接，随制动元件输出端转动，所述连杆由圆板和连接在圆板径向一端的杆臂构成，杆臂中设有平行于自身延伸方向的导轨，圆板中心有轴孔，连杆中的圆板呈圆面相对的固定在扭簧的外圈远离制动元件一侧的圈面上，且圆板的轴孔中同轴固定有关节轴，与第一角度传感器对称设有第二角度传感器，所述第二角度传感器固定安装于驱动器固定座上，其转动部分同轴连接于关节轴上，随关节轴共同转动，所述关节连接件固定安装在电机座上，并与关节轴同轴固定，可随关节轴一起相对驱动器固定座转动，所述电机座设置在连杆杆臂设有导轨的一侧，电机座一端安装有电机，电机的电机轴上同轴安装有第三角度传感器，电机座内转动安装有丝杠，丝杠与连杆杆臂的导轨平行，电机座一端的电机的电机轴与丝杠传动连接，电机座内还设有与丝杠平行的导杆，丝杠上螺纹安装有螺母，且螺母同时滑动安装在导杆上，螺母上设有滑块，滑块滑动安装在连杆杆臂的导轨中。所述的可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：通过电机元件输出主动力矩，实现驱动器驱动功能；利用制动元件输出可控制动力矩，实现驱动器制动功能；通过刚度调节元件实时调节所述驱动器刚度，实现所述驱动器刚度调节功能。所述的可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：所述制动元件为磁流变制动器，制动元件包括外壳，外壳内转动安装有传动轴，传动轴一端作为输入端与电机元件输出轴传动连接，传动轴另一端作为输出端同轴固定在扭簧的内圈中，传动轴的轴身中间同轴设有环向槽体，环向槽体中设有同轴环绕传动轴的线圈，环向槽体轴向前、后侧的传动轴上分别套装有侧板，两侧板之间固定有多道内部硅钢片，多道内部硅钢片均匀环绕在线圈外并沿传动轴轴向均匀分布，外壳内壁对应多道内部硅钢片位置设有多道外部硅钢片，多道外部硅钢片与多道内部硅钢片呈一一交错交叉重合，且内、外部硅钢片交叉重合区域中设有磁流变流体。所述的可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：还包括动力传递元件，动力传递元件是谐波减速器、或RV减速器、或行星减速器，动力传递元件连接在电机元件和制动元件之间，动力传递元件输入端与电机元件的电机轴传动连接，动力传递元件输出端与制动元件的输入端传动连接。所述的可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：第一、第二和第三角度传感器可以是增量式编码器、或绝对式编码器。一种可变刚度弹性多功能驱动器的运动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）、基于下肢康复医疗机器人步态分析，当需要所述驱动器提供驱动力矩时，所述电机元件将输出驱动力矩，经过所述动力传递元件放大，并通过所述制动元件的传动轴传递给所述扭簧和所述连杆，最后通过所述滑块将驱动力矩传递给所述电机座，从而驱动康复医疗机器人关节运动，实现所述驱动器的驱动功能；此时，所述制动元件的线圈中将不通入电流，所述制动元件不产生制动力矩；所述扭簧在力矩传递过程的变形量可以通过所述第一角度传感器和所述第二角度传感器测得，并根据所述扭簧的刚度，可以计算出所述电机元件输出的经所述动力传递元件放大的驱动力矩；（2）、基于下肢康复医疗机器人步态分析，当需要所述驱动器提供制动力矩时，所述制动元件的线圈将通入电流，从而产生感应磁场，所述磁流变流体在感应磁场的作用下将产生剪切应力；当所述内部硅钢片随着所述传动轴一起转动时将切割所述磁流变流体，从而输出制动力矩；所述制动元件输出的制动力矩通过所述传动轴传递给所述扭簧和所述连杆，最后经过所述滑块将制动力矩传递给所述电机座，实现所述驱动器的制动功能；此时所述电机元件将处于非工作状态，不输出力矩；通过控制通入所述线圈中的电流的大小，可以控制所述制动元件输出的制动力矩的大小；由于在产生相同的制动力矩的情况下，所述制动元件消耗的能量远远小于传统电机消耗的能量，从而提高了系统的能量效率和安全性；（3）、基于下肢康复医疗机器人步态分析，当需要改变所述驱动器刚度时，基于所述角度传感器的反馈信号，控制所述刚度调节元件的电机，实现对所述螺母上滑块的位置的精确控制；所述电机转动时，所述螺母将沿着所述导杆在所述丝杠上做直线运动，从而实现所述滑块在所述导轨上的滑动；所述电机元件和所述制动元件输出的辅助力矩是通过所述扭簧和所述连杆传递给所述滑块的，进而驱动康复医疗机器人关节进行运动；随着所述滑块位置的改变，辅助力矩传递的力臂长度会相应改变，在所述扭簧的作用下，实现对所述驱动器刚度的调节；所述扭簧增加了系统的柔顺性，可以有效的缓冲外界对系统的冲击，提高了系统的安全性；同时，在步态周期的一些阶段中，所述扭簧的变形可以存储能量，然后在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：包括电机元件、制动元件、刚度调节元件，其中电机元件的电机轴与制动元件的输入端传动连接，所述刚度调节元件包括驱动器固定座、关节连接件、扭簧、连杆、螺母、导杆、丝杠、电机座、电机，其中扭簧整体设置在驱动器固定座中，扭簧由内、外圈及连接内、外圈的多个柔性体构成，所述制动元件的输出端伸入驱动器固定座中并同轴固定在扭簧的内圈中，扭簧和制动元件之间设有第一角度传感器，所述第一角度传感器固定安装于驱动器固定座上，其转动部分与制动元件输出端传动连接，随制动元件输出端转动，所述连杆由圆板和连接在圆板径向一端的杆臂构成，杆臂中设有平行于自身延伸方向的导轨，圆板中心有轴孔，连杆中的圆板呈圆面相对的固定在扭簧的外圈远离制动元件一侧的圈面上，且圆板的轴孔中同轴固定有关节轴，与第一角度传感器对称设有第二角度传感器，所述第二角度传感器固定安装于驱动器固定座上，其转动部分同轴连接于关节轴上，随关节轴共同转动，所述关节连接件固定安装在电机座上，并与关节轴同轴固定，可随关节轴一起相对驱动器固定座转动，所述电机座设置在连杆杆臂设有导轨的一侧，电机座一端安装有电机，电机的电机轴上同轴安装有第三角度传感器，电机座内转动安装有丝杠，丝杠与连杆杆臂的导轨平行，电机座一端的电机的电机轴与丝杠传动连接，电机座内还设有与丝杠平行的导杆，丝杠上螺纹安装有螺母，且螺母同时滑动安装在导杆上，螺母上设有滑块，滑块滑动安装在连杆杆臂的导轨中。...

【技术特征摘要】
1.可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：包括电机元件、制动元件、刚度调节元件，其中电机元件的电机轴与制动元件的输入端传动连接，所述刚度调节元件包括驱动器固定座、关节连接件、扭簧、连杆、螺母、导杆、丝杠、电机座、电机，其中扭簧整体设置在驱动器固定座中，扭簧由内、外圈及连接内、外圈的多个柔性体构成，所述制动元件的输出端伸入驱动器固定座中并同轴固定在扭簧的内圈中，扭簧和制动元件之间设有第一角度传感器，所述第一角度传感器固定安装于驱动器固定座上，其转动部分与制动元件输出端传动连接，随制动元件输出端转动，所述连杆由圆板和连接在圆板径向一端的杆臂构成，杆臂中设有平行于自身延伸方向的导轨，圆板中心有轴孔，连杆中的圆板呈圆面相对的固定在扭簧的外圈远离制动元件一侧的圈面上，且圆板的轴孔中同轴固定有关节轴，与第一角度传感器对称设有第二角度传感器，所述第二角度传感器固定安装于驱动器固定座上，其转动部分同轴连接于关节轴上，随关节轴共同转动，所述关节连接件固定安装在电机座上，并与关节轴同轴固定，可随关节轴一起相对驱动器固定座转动，所述电机座设置在连杆杆臂设有导轨的一侧，电机座一端安装有电机，电机的电机轴上同轴安装有第三角度传感器，电机座内转动安装有丝杠，丝杠与连杆杆臂的导轨平行，电机座一端的电机的电机轴与丝杠传动连接，电机座内还设有与丝杠平行的导杆，丝杠上螺纹安装有螺母，且螺母同时滑动安装在导杆上，螺母上设有滑块，滑块滑动安装在连杆杆臂的导轨中。2.根据权利要求1所述的可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：通过电机元件输出主动力矩，实现驱动器驱动功能；利用制动元件输出可控制动力矩，实现驱动器制动功能；通过刚度调节元件实时调节所述驱动器刚度，实现所述驱动器刚度调节功能。3.根据权利要求1所述的可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：所述制动元件为磁流变制动器，制动元件包括外壳，外壳内转动安装有传动轴，传动轴一端作为输入端与电机元件输出轴传动连接，传动轴另一端作为输出端同轴固定在扭簧的内圈中，传动轴的轴身中间同轴设有环向槽体，环向槽体中设有同轴环绕传动轴的线圈，环向槽体轴向前、后侧的传动轴上分别套装有侧板，两侧板之间固定有多道内部硅钢片，多道内部硅钢片均匀环绕在线圈外并沿传动轴轴向均匀分布，外壳内壁对应多道内部硅钢片位置设有多道外部硅钢片，多道外部硅钢片与多道内部硅钢片呈一一交错交叉重合，且内、外部硅钢片交叉重合区域中设有磁流变流体。4.根据权利要求1所述的可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：还包括动力传递元件，动力传递元件是谐波减速器、或RV减速器、或行星减速器，动力传递元件连接在电机元件和制动元件之间，动力传递元件输入端与电机元...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈兵，訾斌，曾亿山，王道明，王正雨，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34