本技术涉及一种新型串联弹性阻尼驱动器,专为外骨骼机器人设计。该驱动器包含伺服电机、固定板、外筒、丝杆螺母、导向轴、分隔板和阻尼器等组件。其创新之处在于将弹簧与阻尼器结合,有效吸收外部冲击,减少震动,增强关节的机械柔性和稳定性。
背景技术
康复机器人的概念最早出现在20世纪,但当时的技术水平有限,限制了机器人在康复领域的应用。近年来,随着机械工程控制技术和传感器技术的不断进步,康复机器人取得了显著的进展,涵盖了各种医疗领域,包括神经康复、运动康复和肌肉骨骼康复等。这些机器人可以帮助患者进行步行和运动,协助患者进行关节活动、肌肉锻炼和平衡训练,对于下肢功能障碍患者和截肢者来说尤为重要,有助于加速康复进程,提供更好的康复体验和效果,改善患者的生活质量。
下肢外骨骼康复机器人性能优劣的关键因素在于它的运动能力,机器人在运动过程中如何表现出类似人类步行的自然、流畅和适应性,对于机器人的实用性和人机交互非常重要。实现机器人行走柔顺性的方式有多种,如设计合适的步态生成算法,通过控制算法时调整步态参数以适应变化的环境和任务,或者为机器人配备各种传感器,如惯性测量单元(IMU)、力传感器、视觉传感器等,以实时获取环境和机器人状态信息,这些反馈可以用来调整步态和姿势,确保机器人的运动平稳。除此之外,机器人采用柔性的材料和结构,使得它们在碰撞时减少冲击,也可以实现更加柔顺的运动。
串联弹性驱动器(Serial elastic actuator,简称SEA)是一种驱动系统,通常用于机器人、外骨骼设备以及其他机械系统中。其主要原理是利用弹性元件(如弹簧、绳索、气体气囊等)来储存和释放能量,从而实现机械系统的驱动和运动,这种驱动器的特点是能够储存和释放能量,避免了传统刚性驱动器可能产生的冲击和震动。串联弹性驱动器可以增强机器人的运动能力,提高外骨骼设备的舒适性和自然度,使运动更加平稳和高效。
麻省理工学院腿部实验室MIT Leg Laboratory提出了串联弹性驱动器(SEA)的概念和原理设计,并将其用到双足机器人上,实现了力矩控制。瑞士联邦理工大学的MarcoHutter等人研制了一款高性能的四足机器人StarlETH,采用直线型SEA作为每个关节的驱动器,关节SEA不仅提高了力矩控制环的精度,而且保证了机器人的能量效率,使得StarlETH能够在非结构化环境下,具有较高的运动能力。V enema采用拉线的方式设计关节SEA,将直线弹性元件的作用力转化为关节的转动扭矩,将电机简化为理想的速度源模型,验证了SEA的输出力特性。
SEA与刚性驱动器相比具有结构耐冲击、低机械输出阻抗、适应环境能力强等优势,但在对弹性元件的动力学模型简化时,将SEA简化为纯粹的刚度环节或阻尼环节,动力学模型是不完善的,仅依靠弹性元件,很难实现像人体骨骼肌那样柔性驱动。因此需要设计一种解决以上问题的用于外骨骼机器人上的驱动器。
实现思路