[发明专利]可变刚度弹性多功能驱动器及其运动控制方法

说明书

本发明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。本发明适用于下肢康复医疗机器人。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明所采用的技术方案为：