[发明专利]一种变刚度串联弹性驱动装置

说明书

本发明公开了一种变刚度串联弹性驱动装置及其控制方法，属于柔性传动技术领域，包括:驱动机构，往复机构，弹性输出机构，电源以及控制器。所述驱动机构主要由驱动电机，弹性联轴器和蜗轮蜗杆减速器组成；所述往复机构包括：支撑框架，滑块，直线滑轨和滚珠丝杠；所述弹性输出机构包括：驱动器外壳，直线弹簧，橡胶塞，位移传感器，记忆合金和方形滑块；所述电源分别与控制器，编码器，电机驱动器，位移传感器，记忆合金和驱动电机连接。本发明公开了一种变刚度串联弹性驱动装置及其控制方法，该驱动器的结构紧凑可靠，提高了系统的安全性，可以实现变刚度控制和关节缓冲能力，调节方式灵活，应用范围广等特点。

技术领域

本发明公开了一种变刚度串联弹性驱动装置及其控制方法，属于柔性传动技术领域。

背景技术

由于脑外伤、脊髓损伤及中风等疾病造成具有运动功能障碍的患者人数逐渐增多。这些患者不能像正常人一样进行站立、行走、蹲起等日常活动，只能长期卧床或坐轮椅。长此以往，患者容易产生肌肉萎缩、肢体压疮等其他病症。传统的康复治疗方法存在人员消耗大、康复周期长等问题。因此，为了缓解人员消耗大问题，康复机器人系统已成为国内外机器人领域的研究热点。随着机器人技术的不断发展，人们对康复机器人的安全性、适应性、柔顺性等特性的要求越来越高。柔性驱动装置将刚性输出变成柔性输出，可产生缓冲作用，纯刚性输出可能使得机器人在与环境刚性碰撞后，导致运动不匹配或不协调，产生人机对抗造成患肢的二次损伤，柔性驱动装置能够避免患肢的损伤并且提高人机交互的安全性。此外，柔性驱动装置的引入还能使机器人的步态更加自然协调，拓宽机器人的环境适应范围。现有的柔性驱动装置结构复杂、不易维护、调节范围有限且柔性不可控。

基于上述背景，迫切需要一种变刚度串联弹性驱动装置，以实现实时可控的机器人柔性驱动和控制变刚度输出的要求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有驱动方式结构复杂、不易维护、调节范围有限且柔性不可控，无法根据情况实时调节刚度输出的问题，提出一种结构紧凑、安全可靠、可调节范围广、调节方式灵活的变刚度串联弹性驱动装置及其控制方法。

本发明所要解决的问题是由以下技术方案实现的：

一种变刚度串联弹性驱动装置，包括：驱动机构，往复机构，弹性输出机构，电源以及控制器。

所述驱动机构主要由驱动电机和蜗轮蜗杆减速器组成，所述往复机构包括：支撑框架，滑块，滑轨和滚珠丝杠，所述支撑框架固定在所述蜗轮蜗杆减速器上，所述滚珠丝杠设置在所述轴承支架内，且一端通过所述蜗轮蜗杆减速器与驱动电机的主轴相连接，方形滑台内设有螺母，方形滑台通过螺母与滚珠丝杠螺纹连接，当滚珠丝杠转动时方形滑台沿直线滑轨移动。

所述弹性输出机构包括：驱动器外壳，直线弹簧，橡胶塞，记忆合金，位移传感器和方形滑台，所述电源分别与控制器、编码器和驱动电机电连接。

优选的是，所述支撑框架包括：轴承支架，滑轨支架，所述滑轨支架分别固定在两端的轴承支架上。

优选的是，所述外壳包括：蜗轮蜗杆减速器外壳和驱动器外壳。所述蜗轮蜗杆减速器外壳有轴承支架固定齿轮，驱动器外壳用于固定直线弹簧和固定连接件。

优选的是，所述方形滑台两端设有与所述橡胶塞连接的螺丝孔，且内部含有与所述滚珠丝杠配合的螺母，所述方形滑台沿滚珠丝杠移动。

优选的是，所述位移传感器，通过螺纹固定在所述轴承支架，通过直线轴承在所述蜗轮蜗杆减速器外壳上滑动。

一种变刚度串联弹性驱动装置控制方法，具体步骤如下：

步骤S10，基于人体运动关节的分析，确定电机的输出模式，由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，从而确定所述驱动器驱动电机理论输出力矩；