[发明专利]基于形状记忆合金的变刚度关节控制方法

说明书

一种基于形状记忆合金的变刚度关节控制方法，属于软体驱动控制领域，基于形状记忆合金变刚度控制系统和关节运动控制系统实现。首先，通过Bang‑Bang控制器，计算形状记忆合金的输入电流。其次，在形状记忆合金的相变过程中，以马氏体体分数ξ描述形状记忆合金相变程度，由Brinsion本构模型计算形状以及合金的应力σ。再次，利用输出方程和应力σ计算整个变刚度系统的输出力F₀与形状记忆合金相变ε，以输出力F₀改变外骨骼刚度。最后，根据F₀和形状记忆合金相变ε构建外骨骼运动学以及动力学模型；通过关节运动控制系统使外骨骼跟随人体运动。本发明能够计算SMA相变过程中产生的力和位移，有效提升SMA相变的迟滞性实时性；能够改变刚度的同时，使外骨骼设备跟随人体运动，达到随动助力的效果。

技术领域

本发明属于软体驱动控制领域，涉及一种基于形状记忆合金的变刚度关节控制方法。

背景技术

随着现代战争、医疗对增强、恢复受试群体运动能力的需求不断提升，变刚度关节逐渐成为研究热点。基于形状记忆合金(简称SMA)的变刚度关节可以有效减轻外骨骼重量，提高关节的机动性。所以构建基于SMA的变刚度关节控制系统具备极大的现实意义。

基于经典控制理论的SMA控制方法，其特点主要是简单。但是SMA相变特性是非线性和时变的，其相变参数也很难获取，导致当SMA的外界条件发生改变时，经典线性控制理论的控制方法控制性能急剧下降。本文提出以精确建模的方式进行形状记忆合金变刚度控制，更加适合SMA这种非线性时变模型系统。并结合传统电机，控制整体变刚度关节。

发明内容

为了克服SMA相变过程中的非线性与迟滞性，本发明要解决的技术问题是提供一种形状记忆合金控制方法，降低控制系统对环境的高敏感性，提高系统的动态性能。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：

一种基于形状记忆合金的变刚度关节控制方法，该变刚度关节控制方法基于形状记忆合金变刚度控制系统和关节运动控制系统实现。所述形状记忆合金变刚度控制系统用来调整外骨骼系统刚度，该控制系统是以Brinsion本构模型为基础的半闭环控制系统，由Bang-Bang控制求解形状记忆合金的输入电流，以此电流改变系统的温度。再由检测出的形状记忆合金实际温度与Brinson本构模型的输出应力，求解当前的马氏体体积分数，该体积分数是表示形状记忆合金的基础。应用Brinson本构模型根据相变运动学模型所得的马氏体体积分数，计算当前的应力，由输出方程计算整体变刚度主动元系统的输出力与位移，改变系统整体刚度。由于其输出力与位移不能直接应用于电机控制中，所以根据外骨骼运动学以及动力学模型转化为电机转角以及电机刚度变化。以此应用于外骨骼系统中。所述关节运动控制系统是使外骨骼跟随人体运动以达到助力的目的，该控制系统由内环速度环，外环力闭环组成。

变刚度关节控制方法包括以下步骤：

第一步，根据形状记忆合金变刚度主动元的实际输出力与形状记忆合金变刚度主动元的设置输入力的差值，通过Bang-Bang控制器，计算形状记忆合金的输入电流。上述表述力的差值与输入的实际电流的关系为：

其中，F_c为力误差，是实际输出力与形状记忆合金变刚度主动元的设置输入力的差值。I为输入的等效电流。I_max为系统的最大电流。

第二步，在形状记忆合金的相变过程中，其非线性较强，所以为了描述其相变过程，以马氏体体分数ξ描述形状记忆合金相变程度。所述马氏体体分数ξ由温度引起的马氏体体积分数ξ_T和由应力引起的马氏体体积分数ξ_s求和所得，既ξ＝ξ_s+ξ_T。系统通过构建相变动力学模型，求解温度引起的马氏体体积分数ξ_T和由应力引起的马氏体体积分数ξ_s。系统的相变动力学模型在不同温度、应力下不尽相同：