可变刚度弹性多功能驱动器及其运动控制方法与流程

本发明涉及下肢康复医疗机器人领域，具体是一种可变刚度弹性多功能驱动器及其运动控制方法。

背景技术

当前，世界上由于脊髓损伤、中风、脑损伤以及截肢等疾病引起的具有下肢运动障碍的病人数量正逐渐增多。这些病人长期坐于轮椅上，不能如正常人一样进行日常活动，如站起/坐下和行走。长期以往，他们会产生褥疮、肌肉萎缩、骨质疏松症和冠心病等第二病症。另外，这些病人中有很多是年轻人，需要工作养家，从而给社会和家庭带来了很大的负担。

机器人技术正逐渐应用于康复医疗领域。目前开发的下肢康复医疗机器人，如外骨骼机器人（包括下肢单关节外骨骼机器人）和假肢等，穿戴在患者身体外部，能够根据穿戴者运动意图为其提供可控制的辅助力矩，从而帮助患者进行康复训练和辅助行走。

下肢康复医疗机器人是一种人机交互系统，在其使用过程中存在人-机交互作用以及人-机系统与地面的碰撞；另外，人在正常行走过程中，膝关节和踝关节通常被建立为弹簧模型，其刚度会随着人行走步态状态和环境等因素的变化而改变。驱动器是下肢康复医疗机器人的动力元件，其性能直接决定了机器人的功能。目前，国内外研究机构研发的下肢康复医疗机器人的驱动器，大多刚度比较高，不能有效的缓冲外界（如地面）对系统的冲击；有的采用弹簧以增加系统柔顺性，但是系统刚度也多是固定的，不能根据穿戴者运动情况进行实时调节。另外，现有的下肢康复医疗机器人在对运动障碍患者进行康复训练和辅助行走的过程中，其输出的制动力矩主要由电机产生，需要提供较大的电流，不仅能量效率比较低、能耗比较大，还存在安全隐患。

因此，需要研究新型多功能驱动器，可以根据穿戴者行走步态状态、行走速度以及路面环境等变化通过结构而实时调节驱动器刚度，并且能够缓冲地面冲击、提高系统能量效率以延长其一次充电的工作时间。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种可变刚度弹性多功能驱动器及其运动控制方法，具有驱动、制动和刚度调节功能。该驱动器能够实时调节系统刚度、减小外界对系统的干扰和冲击、提高系统能量效率和安全性，结构紧凑，并且可以精确地测得驱动器输出力矩。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：包括电机元件、制动元件、刚度调节元件，其中电机元件的电机轴与制动元件的输入端传动连接，所述刚度调节元件包括驱动器固定座、关节连接件、扭簧、连杆、螺母、导杆、丝杠、电机座、电机，其中扭簧整体设置在驱动器固定座中，扭簧由内、外圈及连接内、外圈的多个柔性体构成，所述制动元件的输出端伸入驱动器固定座中并同轴固定在扭簧的内圈中，扭簧和制动元件之间设有第一角度传感器，所述第一角度传感器固定安装于驱动器固定座上，其转动部分与制动元件输出端传动连接，随制动元件输出端转动，所述连杆由圆板和连接在圆板径向一端的杆臂构成，杆臂中设有平行于自身延伸方向的导轨，圆板中心有轴孔，连杆中的圆板呈圆面相对的固定在扭簧的外圈远离制动元件一侧的圈面上，且圆板的轴孔中同轴固定有关节轴，与第一角度传感器对称设有第二角度传感器，所述第二角度传感器固定安装于驱动器固定座上，其转动部分同轴连接于关节轴上，随关节轴共同转动，所述关节连接件固定安装在电机座上，并与关节轴同轴固定，可随关节轴一起相对驱动器固定座转动，所述电机座设置在连杆杆臂设有导轨的一侧，电机座一端安装有电机，电机的电机轴上同轴安装有第三角度传感器，电机座内转动安装有丝杠，丝杠与连杆杆臂的导轨平行，电机座一端的电机的电机轴与丝杠传动连接，电机座内还设有与丝杠平行的导杆，丝杠上螺纹安装有螺母，且螺母同时滑动安装在导杆上，螺母上设有滑块，滑块滑动安装在连杆杆臂的导轨中。

所述的可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：通过电机元件输出主动力矩，实现驱动器驱动功能；利用制动元件输出可控制动力矩，实现驱动器制动功能；通过刚度调节元件实时调节所述驱动器刚度，实现所述驱动器刚度调节功能。

所述的可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：所述制动元件为磁流变制动器，制动元件包括外壳，外壳内转动安装有传动轴，传动轴一端作为输入端与电机元件输出轴传动连接，传动轴另一端作为输出端同轴固定在扭簧的内圈中，传动轴的轴身中间同轴设有环向槽体，环向槽体中设有同轴环绕传动轴的线圈，环向槽体轴向前、后侧的传动轴上分别套装有侧板，两侧板之间固定有多道内部硅钢片，多道内部硅钢片均匀环绕在线圈外并沿传动轴轴向均匀分布，外壳内壁对应多道内部硅钢片位置设有多道外部硅钢片，多道外部硅钢片与多道内部硅钢片呈一一交错交叉重合，且内、外部硅钢片交叉重合区域中设有磁流变流体。

所述的可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：还包括动力传递元件，动力传递元件是谐波减速器、或rv减速器、或行星减速器，动力传递元件连接在电机元件和制动元件之间，动力传递元件输入端与电机元件的电机轴传动连接，动力传递元件输出端与制动元件的输入端传动连接。

所述的可变刚度弹性多功能驱动器，其特征在于：第一、第二和第三角度传感器可以是增量式编码器、或绝对式编码器。

一种可变刚度弹性多功能驱动器的运动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、基于下肢康复医疗机器人步态分析，当需要所述驱动器提供驱动力矩时，所述电机元件将输出驱动力矩，经过所述动力传递元件放大，并通过所述制动元件的传动轴传递给所述扭簧和所述连杆，最后通过所述滑块将驱动力矩传递给所述电机座，从而驱动康复医疗机器人关节运动，实现所述驱动器的驱动功能；此时，所述制动元件的线圈中将不通入电流，所述制动元件不产生制动力矩；所述扭簧在力矩传递过程的变形量可以通过所述第一角度传感器和所述第二角度传感器测得，并根据所述扭簧的刚度，可以计算出所述电机元件输出的经所述动力传递元件放大的驱动力矩；

（2）、基于下肢康复医疗机器人步态分析，当需要所述驱动器提供制动力矩时，所述制动元件的线圈将通入电流，从而产生感应磁场，所述磁流变流体在感应磁场的作用下将产生剪切应力；当所述内部硅钢片随着所述传动轴一起转动时将切割所述磁流变流体，从而输出制动力矩；所述制动元件输出的制动力矩通过所述传动轴传递给所述扭簧和所述连杆，最后经过所述滑块将制动力矩传递给所述电机座，实现所述驱动器的制动功能；此时所述电机元件将处于非工作状态，不输出力矩；通过控制通入所述线圈中的电流的大小，可以控制所述制动元件输出的制动力矩的大小；由于在产生相同的制动力矩的情况下，所述制动元件消耗的能量远远小于传统电机消耗的能量，从而提高了系统的能量效率和安全性；

（3）、基于下肢康复医疗机器人步态分析，当需要改变所述驱动器刚度时，基于所述角度传感器的反馈信号，控制所述刚度调节元件的电机，实现对所述螺母上滑块的位置的精确控制；所述电机转动时，所述螺母将沿着所述导杆在所述丝杠上做直线运动，从而实现所述滑块在所述导轨上的滑动；所述电机元件和所述制动元件输出的辅助力矩是通过所述扭簧和所述连杆传递给所述滑块的，进而驱动康复医疗机器人关节进行运动；随着所述滑块位置的改变，辅助力矩传递的力臂长度会相应改变，在所述扭簧的作用下，实现对所述驱动器刚度的调节；所述扭簧增加了系统的柔顺性，可以有效的缓冲外界对系统的冲击，提高了系统的安全性；同时，在步态周期的一些阶段中，所述扭簧的变形可以存储能量，然后在步态周期的另外一些阶段中释放出来，从而节约能量；

（4）、基于下肢康复医疗机器人步态分析，重复步骤（1）、步骤（2）和步骤（3），直至具有下肢运动障碍的患者的运动康复或者辅助行走结束。

本发明包括电机元件，制动元件和刚度调节元件。电机元件连接至制动元件输入端；制动元件输出端连接至所述刚度调节元件。

本发明还包括动力传递元件，动力传递元件可以是谐波减速器、rv减速器或着行星减速器。电机元件通过动力传递元件与制动元件连接。利用动力传递元件构成的速度转换器，将电机元件的速度减到需要的转数，同时能够得到较大的输出转矩，这样的布置有利于减小电机元件的输入电流，提高驱动器系统的安全性。

制动元件为磁流变制动器，采用智能材料材料磁流变流体制成，包括：传动轴、线圈、多对内/外部硅钢片、磁流变流体、侧板和外壳等部件。其中，传动轴由高导磁材料制成，其输出端与刚度调节元件连接；线圈缠绕于传动轴上，通电情况下可产生感应磁场；多对内部和外部硅钢片重合区域组成腔体；磁流变流体位于所述腔体中，在电磁场作用下会产生剪切应力。

刚度调节元件，包括驱动器固定座、关节连接件、扭簧、连杆、螺母、导杆、丝杠、电机座、电机。其中，第三角度传感器安装于电机末端，电机与丝杠连接；螺母上设计有滑块，可沿着连杆上设计的导轨滑行；扭簧由内圈、柔性体和外圈组成，扭簧外圈与连杆的圆板连接，扭簧内圈与制动元件传动轴连接。第三角度传感器可以是增量式编码器、或绝对式编码器。

在扭簧输入和输出两端分别设置第一角度传感器和第二角度传感器。第一和第二角度传感器固定安装于驱动器固定座上，并分别位于扭簧两侧。第一角度传感器和第二角度传感器通过测量扭簧在力矩传递过程中的变形量，并根据扭簧的刚度，可以计算出电机元件和制动元件的输出力矩。第一和第二角度传感器可以是增量式编码器、或绝对式编码器。

本发明相比较于现有技术，具有如下有益效果：

本发明涉及的一种可变刚度弹性多功能驱动器及其运动控制方法，设计有刚度调节元件，通过控制刚度调节元件中的电机完成对滚珠丝杠螺母的控制，从而实现对螺母上设计的滑块的位置进行控制，最后实现改变驱动器动力传递过程中力臂的长度，并通过设计的扭簧的作用，达到调节驱动器刚度的目的。另外，刚度调节元件中设计的扭簧能够有效的缓冲外界如地面对系统的冲击，并且能够存储能量；扭簧两端安装有角度传感器，通过测量扭簧的形变量，能够精确地获得驱动器的输出力矩，从而实现了力矩传感器的功能。

本发明涉及的一种可变刚度弹性多功能驱动器及其运动控制方法，还设计有制动元件，制动元件中采用了智能材料磁流变流体，通过给线圈通入电流，从而产生感应磁场，磁流变流体在磁场的作用下会产生很大的剪切应力，实现了制动元件在小的输入电流的情况下输出很大的制动力矩。与传统电机相比较，该制动元件在对下肢具有运动障碍的病人进行康复训练和辅助行走的过程中，能够大大地降低电机元件的电流，从而提高了系统的能量效率和安全性。

附图说明

图1是根据本发明实施方式的驱动器立体结构示意图。

图2是根据本发明实施方式的制动元件立体结构示意图。

图3是根据本发明实施方式的制动元件的内部结构剖面示意图。

图4是根据本发明实施方式的刚度调节元件立体结构示意图。

图5是根据本发明实施方式的滚珠丝杠螺母立体结构示意图。

图6是根据本发明实施方式的连杆立体结构示意图。

图7是根据本发明实施方式的扭簧立体结构示意图。

图8是根据本发明实施方式的角度传感器的安装位置示意图。

图9是根据本发明实施方式的驱动器运动控制方法流程图。

图中：1电机元件；2动力传递元件；3制动元件；3-1传动轴；3-2外壳；3-3线圈；3-4侧板；3-5内部硅钢片；3-6磁流变流体；3-7外部硅钢片；4驱动器固定座；5扭簧；5-1连接轴孔；5-2内圈；5-3柔性体；5-4通孔；5-5外圈；6连杆；6-1导轨；6-2螺纹孔；6-3轴孔；7螺母；7-1滑块；8导杆；9丝杠；10电机座；11电机；12第三角度传感器；13第一角度传感器；14第二角度传感器；15关节轴；16关节连接件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图8所示的，一种可变刚度弹性多功能驱动器包括电机元件1、制动元件3和刚度调节元件。图1是根据本发明实施方式的驱动器立体结构示意图。电机元件1连接至制动元件3的输入端，并固定在驱动器固定座4上；制动元件3的输出端连接至刚度调节元件。

本发明示例性实施方式的制动元件3包括：传动轴3-1、外壳3-2、线圈3-3、侧板3-4、内部硅钢片3-5、磁流变流体3-6和外部硅钢片3-7等部件。图2是根据本发明实施方式的制动元件3的立体结构示意图，图3是根据本发明实施方式的制动元件3的内部结构剖面示意图。如图所示，传动轴3-1由高导磁材料（如电工纯铁）制成，其输入端与电机元件1连接，其输出端与扭簧5的连接轴孔5-1连接；线圈3-3缠绕在传动轴3-1上，当线圈3-3中通入电流时，会产生感应磁场；磁流变流体3-6位于内部硅钢片3-5和外部硅钢片3-7的重合区域。在磁场作用下，磁流变流体3-6以较少能量消耗产生高剪切应力，当内部硅钢片3-5随着传动轴3-1一起转动时将切割磁流变流体，从而输出制动力矩。由于在产生相同的制动力矩的情况下，制动元件3消耗的能量远远小于传统电机消耗的能量，从而提高了系统的能量效率和安全性。

本发明示例性实施方式的刚度调节元件包括：驱动器固定座4、扭簧5、连杆6、螺母7、导杆8、丝杠9、电机座10、电机11、第三角度传感器12和关节连接件16等部件。图4是根据本发明实施方式的刚度调节元件4~12的立体结构示意图；图5是根据本发明实施方式的滚珠丝杠螺母7~10的立体结构示意图；图6是根据本发明实施方式的连杆6的立体结构示意图；图7是根据本发明实施方式的扭簧5的立体结构示意图。如图所示，扭簧由内圈5-2、柔性体5-3和外圈5-5组成，扭簧5通过外圈5-5上的通孔5-4与连杆6上的螺纹孔6-2连接；连杆6上的导轨6-1与螺母7上的滑块7-1连接，滑块7-1可沿着导轨6-1滑行；螺母7与导杆8和滚珠丝杠9连接；滚珠丝杠9与电机11连接；电机11安装于电机座10上；第三角度传感器12安装于电机11末端，用于测量电机11的转动角度，从而实现对滑块7-1的位置进行控制。

在一个实施方式中，驱动器还可包括动力传递元件2。电机元件1可通过动力传递元件2与制动元件3的传动轴3-1的输入端连接。在电机元件1与制动元件3之间设置动力传递元件2，利用速度转换器，将电机元件1的速度减到需要的转数，同时能够得到较大的输出转矩。这样的布置有利于减小电机元件1的输入电流，提高驱动器系统的安全性。动力传递元件2可以是谐波减速器、rv减速器或着行星减速器。

在一个实施方式中，驱动器还可包括第一角度传感器13和第二角度传感器14。图8示意性示出了根据本发明实施方式的第一角度传感器13和第二角度传感器14的安装位置。如图8所示，第一角度传感器13和第二角度传感器14分别位于扭簧5的两侧，其中第一角度传感器13固定安装于驱动器固定座4上，其转动部分与制动元件3输出端传动连接；第二角度传感器14固定安装于驱动器固定座4上，其转动部分同轴连接于关节轴上15。第一角度传感器13和第二角度传感器14通过测量扭簧5在力矩传递过程中的变形量，并根据扭簧5的刚度，可以计算出电机元件1和制动元件3的输出力矩。第一角度传感器13和第二角度传感器14可包括增量式编码器和/或绝对式编码器中的一种或两种。

本发明可用于驱动下肢康复医疗机器人。人在正常行走过程中，膝关节和踝关节通常被建立为弹簧模型，其刚度会随着人的行走步态状态和环境等因素的变化而改变。在康复医疗机器人对具有下肢运动障碍的患者进行运动康复和辅助行走的过程中，可变刚度弹性多功能驱动器具有多种功能，包括驱动功能、制动功能和刚度调节功能。

图9是根据本发明实施方式的驱动器运动控制方法流程图。如图9所示，驱动器运动控制方法包括以下步骤：

（1）、在具有下肢运动障碍的患者的运动康复或者辅助行走的过程中，基于步态分析，当需要提供驱动力矩时，电机元件1将输出驱动力矩，经过动力传递元件2放大，并通过制动元件3的传动轴3-1传递给扭簧5和连杆6，最后通过滑块7-1将驱动力矩传递给电机座10，从而驱动关节运动，实现驱动器的驱动功能。此时，制动元件3的线圈3-3中将不通入电流，制动元件3不产生制动力矩。扭簧5在力矩传递过程的变形量可以通过第一角度传感器13和第二角度传感器14测得，并根据扭簧5的刚度，可计算出电机元件1输出的经动力传递元件2放大的驱动力矩。

（2）、在具有下肢运动障碍的患者的运动康复或者辅助行走的过程中，基于步态分析，当需要提供制动力矩时，制动元件3的线圈3-3将通入电流，从而产生感应磁场，磁流变流体3-6在感应磁场的作用下将产生剪切应力；当内部硅钢片3-5随着传动轴3-1一起转动时将切割磁流变流体3-6，从而输出制动力矩。制动元件3输出的制动力矩通过传动轴3-1传递给扭簧5和连杆6，最后经过滑块7-1将制动力矩传递给电机座10，实现驱动器的制动功能。此时电机元件1将处于非工作状态，不输出力矩。通过控制通入线圈3-3中电流的大小，可以控制制动元件3输出的制动力矩的大小。由于在产生相同的制动力矩的情况下，制动元件3消耗的能量远远小于传统电机消耗的能量，从而提高了系统的能量效率和安全性。

（3）、在具有下肢运动障碍的患者的运动康复或者辅助行走的过程中，基于步态分析，当需要改变驱动器刚度时，通过控制电机11，可实现对螺母7上滑块7-1的位置进行精确控制。电机11转动时，螺母7将沿着导杆8在丝杠9上做直线运动，从而实现滑块7-1在导轨6-1上的滑动。电机元件1和制动元件3输出的辅助力矩是通过扭簧5和连杆6传递给滑块7-1，进而驱动关节进行运动。随着滑块7-1位置的改变，辅助力矩传递的力臂长度就会相应改变。在扭簧5的作用下，可以实现对驱动器刚度的调节。扭簧5增加了系统的柔顺性，可以有效的缓冲外界（如地面）对系统的冲击；同时，在步态周期的一些阶段中，扭簧5的变形可以存储能量，然后在步态周期的另外一些阶段中释放出来，从而节约能量。

（4）、基于下肢康复医疗机器人步态分析，重复步骤（1）、步骤（2）和步骤（3），直至具有下肢运动障碍的患者的运动康复或者辅助行走结束。