[发明专利]一种柔性变刚度弹性驱动器及其控制方法

说明书

本发明公开了一种柔性变刚度驱动器及其控制算法，基于两种不同刚度的弹簧和记忆合金线设计一种用于康复、助行类机器人的柔性变刚度驱动器，主要包括：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。通过PD控制器控制驱动机构中的伺服电机提供期望扭矩，扭簧带动往复传动机构中的圆形齿条和弹簧挡块往复运动，弹簧挡块推动主动变刚度机构实现输出杆往复运动。低刚度弹簧用于提供平均辅助力矩、减少输出阻抗和外部负载冲击，弹簧完全被压缩时，高刚度扭簧提供峰值力矩、提高系统带宽和增大扭矩范围。通过PID控制器控制记忆合金线的温度改变弹簧预压缩实现驱动器主动变刚度，提高驱动器的机动性和使用效率。

技术领域

本申请涉及一种驱动器，基于两种不同刚度的弹簧和记忆合金线设计一种用于康复、助行类机器人的柔性变刚度弹性驱动器。

背景技术

目前，国内外人口老龄化发展趋势严重，中风已成为导致人们肢体残障的主要原因之一，中风具有致残率高、年轻化趋势明显、危害性大等特点。患肢常伴有肌肉萎缩、肌无力、偏瘫等症状，严重危害患者身体和心理健康，给患者家庭及社会带来了沉重的经济负担。由于中风患者不像正常人一样进行站立、行走、蹲起等日常活动，为了帮助患者进行康复训练或者辅助行走，早日回归正常人生活，康复机器人需求不断增加。为了避免患肢在康复训练过程中受到二次损伤，柔性驱动装置不可或缺。

驱动器是助行、康复类机器人设计核心部件，它决定机器人的输出力矩、速度和性能。在传统工程应用中，驱动器大多数为纯刚性机构，纯刚性驱动器的优点是为机器人系统提供良好的控制精度、速度和可重复性，但纯刚性驱动方法在可控性、稳定性、机动性、反向驱动性和适应性等方面存在局限性，并且刚性机构对患者不安全和不友好，随着机器人与人类信息交互更加频繁，驱动器的柔性驱动和变刚度驱动愈发重要。

因此，基于上述背景，迫切需要设计一种柔性变刚度弹性驱动器，实现助行、康复类机器人柔性驱动和变刚度输出。

发明内容

本发明用于增大扭矩范围和提高驱动器性能，解决了驱动器无高机动性、柔性不可控和无法根据场景实时调节刚度输出的问题，提出一种紧凑型柔性变刚度弹性驱动器。

本发明所要解决的问题是由以下技术方案实现的：

一种柔性变刚度弹性驱动器，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；所述电机通过双头六角螺杆与齿轮箱固定；所述弹性联轴器两端分别连接伺服电机主动轴和主动伞齿轮轴，弹性联轴器起到过载保护的效果。所述主动伞齿轮轴与滚珠轴承内圈过盈配合固定，外圈与齿轮箱过盈配合固定。所述伺服电机通过弹性联轴器带动主动伞齿轮轴稳定转动。

所述往复传动机构主要由扭簧、轴、齿轮、圆形齿条、珠轴承、弹簧挡块、轴承底座和旋转编码器组成；所述扭簧两端分别插入被动伞齿轮轴通孔中和轴的上端通孔中，被动伞齿轮轴和轴插入扭簧上、下两端，使扭簧固定；所述轴与齿轮通过轴肩、轴套和弹簧挡圈进行轴向固定，通过平键进行周向固定，实现轴带动齿轮稳定转动；所述圆形齿条两端插入滑动轴承中，实现轴向滑动；所述弹簧挡块通过螺丝与两个圆形齿条进行周向固定，圆形齿条运动和弹簧挡块同时运动，实现齿轮带动圆形齿条上的弹簧挡块往复运动；所述轴的下端与滚珠轴承的内圈过盈配合固定，外圈与轴承底座过盈配合固定；所述轴承底座各端面通过螺丝与齿轮箱固定；所述轴下端面开槽，旋转编码器的主动轴插入轴的下端面开槽处；所述齿轮箱底面开槽用于固定旋转编码器，旋转编码器用于计算辅助扭矩。

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；所述弹簧两端插入支撑座的固簧槽中进行固定；所述记忆合金线两端通过顶丝与支撑座固定；所述接线孔用于导线与记忆合金线的焊接，放线槽用于导线的整理。所述主动变刚度机构通过记忆合金线来改变弹簧的预压缩，实现驱动器主动变刚度。