[发明专利]一种柔性变刚度弹性驱动器及其控制方法

权利要求书

1.一种柔性变刚度弹性驱动器，其特征在于，包括：驱动机构、往复传动机构、主动变刚度机构、驱动器输出机构、电源和控制器；所述驱动机构主要由伺服电机、弹性联轴器和一对伞齿轮减速器组成，所述伺服电机通过双头六角螺杆与齿轮箱固定，弹性联轴器两端分别与伺服电机和主动伞齿轮轴连接；所述往复传动机构主要由扭簧、轴、齿轮、圆形齿条和弹簧挡块组成，所述扭簧的两端分别插入被动伞齿轮轴的孔中和轴上端的孔中进行过渡配合，扭簧与被动伞齿轮轴和所述轴形成过渡配合，被动伞齿轮轴和轴各穿入扭簧一部分，使扭簧固定，所述两个圆形齿条通过螺丝与弹簧挡块进行周向固定，实现齿轮带动圆形齿条上的弹簧挡块往复运动，所述弹簧挡块中的半圆从两端延伸，对主动变刚度机构轴向固定，防止主动变刚度机构接触圆形齿条；所述主动变刚度机构主要由支撑座、弹簧和记忆合金线组成，弹簧和记忆合金线两端与支撑座连接；所述支撑座含有接线槽，用于导线与记忆合金线锡焊；所述支撑座含有放线槽，用于导线的整理；所述记忆合金线两端插入支撑座，通过顶丝固定；所述驱动器输出机构主要由左挡板、右挡板、上底板、下底板，前挡板、后挡板、输出杆、车轮和压簧组成，左、右挡板前端面与前挡板固定，后端面与后挡板固定，上、下底板右端面与齿轮箱固定，车轮的支撑杆与压簧连接；所述上、下底板分别有两行滑轨，用于左、右挡板进行往复滑动，所述压簧和所述车轮依次放入左、右挡板中的放簧槽中，将其压入上下底板的滑轨中，压簧起到缓冲减震的效果，限位外壳，用于限制输出杆的位置，保证患者安全。

2.根据权利要求1中所述的一种柔性变刚度弹性驱动器的控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤S10，利用嵌入式系统去调节等效电压U_in实现改变记忆合金线的温度T_SMA的目的；

步骤S11，通过记忆合金线的温度T_SMA和Brinson的本构模型计算主动变刚度机构的输出力F₀；

步骤S12，设计PID控制器，主动变刚度机构目标输出力F_t和主动变刚度机构实际输出力F₀的差值通过控制器控制等效电压U_in，实现驱动器主动变刚度；

通过控制器在步骤S10到步骤S12循环，使得驱动器实现主动变刚度控制；

步骤S20，基于人体步态的生物力学分析，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，在整个运动周期中，确定所述驱动器驱动电机的目标输出力矩F_d；

步骤S21，当辅助力矩远小于峰值力矩时，扭簧为刚性元件，通过实时位移传感器测量所述弹簧压缩长度，计算得到直线弹簧产生的实际弹力F₂；

步骤S22，设计PD控制器，使目标力矩和实际力矩做差，通过PD控制器控制电机达到目标输出力矩；

步骤S23，当辅助力矩达到峰值力矩时，弹簧完全被压缩，扭簧发生旋转，通过驱动器中的编码器之间的差值计算驱动电机实际输出的辅助扭矩F₁；

步骤S24，设计PD控制器，使实际输出辅助扭矩和目标扭矩做差，通过PD控制器控制电机达到目标输出扭矩；

通过控制器在步骤S21到步骤S24循环，使得驱动器实现被动变刚度控制。