[发明专利]一种基于簧片式的变刚度柔性驱动器及其运动控制方法

说明书

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。

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；