[發明專利]基于形狀記憶合金的變剛度關節控制方法

有效

• 申請號: 202010765908.7
• 申請日: 2020-08-03
• 公開（公告）號: CN112025694B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 劉冬;杜宇;叢明;張佳琦;楊勁松
• 申請（專利權）人: 大連理工大學;大連大華中天科技有限公司
• 主分類號: B25J9/10
• 分類號: B25J9/10;B25J9/16;B25J9/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種基于形狀記憶合金的變剛度關節控制方法，其特征在于，所述變剛度關節控制方法基于形狀記憶合金變剛度控制系統和關節運動控制系統實現；包括以下步驟：

第一步，根據形狀記憶合金變剛度主動元的實際輸出力與形狀記憶合金變剛度主動元的設置輸入力的差值，通過Bang-Bang控制器，計算形狀記憶合金的輸入電流；表述力的差值與輸入的實際電流的關系為：

其中，F_c為力誤差，是形狀記憶合金變剛度主動元的實際輸出力與形狀記憶合金變剛度主動元的設置輸入力的差值；I為輸入的實際電流；I_max為形狀記憶合金變剛度控制系統的最大電流；

第二步，在形狀記憶合金的相變過程中，以馬氏體體分數ξ描述形狀記憶合金相變程度；所述馬氏體體分數ξ由溫度引起的馬氏體體積分數ξ_T和由應力引起的馬氏體體積分數ξ_s求和所得，即ξ＝ξ_s+ξ_T；形狀記憶合金變剛度控制系統通過構建相變動力學模型，求解溫度引起的馬氏體體積分數ξ_T和由應力引起的馬氏體體積分數ξ_s；形狀記憶合金變剛度控制系統的相變動力學模型在不同溫度、應力下不盡相同：

當溫度高于A_s低于A_f時，形狀記憶合金變剛度控制系統向奧氏體開始轉化，由溫度引起的馬氏體體積分數為由應力引起的馬氏體體積分數為：式中，為由溫度引起的馬氏體體積分數的初始值，為由應力引起的馬氏體體積分數的初始值，C_A為奧氏體相變斜率；a_A為中間參數；σ為形狀記憶合金的應力；定義形狀記憶合金變剛度控制系統的溫度范圍為：A_f為向奧氏體相變結束溫度；A_s為向奧氏體相變開始溫度；

當溫度低于M_s大于M_f時，形狀記憶合金變剛度控制系統開始向馬氏體轉化，由應力引起的馬氏體體積分數為由溫度引起的馬氏體體積分數為式中，σ_s為形狀記憶合金向馬氏體轉化的最小臨界壓力；σ_f為形狀記憶合金向馬氏體轉化的最大臨界壓力；此處定義C_M為馬氏體相變斜率；T為形狀記憶合金溫度，形狀記憶合金變剛度控制系統的溫度范圍為：M_s為向馬氏體相變開始溫度，M_f表示向馬氏體相變結束溫度；

第三步，根據馬氏體體積分數ξ和由輸出方程計算所得的形狀記憶合金相變ε作為輸入，由Brinson模型計算形狀記憶合金的應力σ；

所述模型如下：

其中，σ是形狀記憶合金的應力，為應力的導數，T是形狀記憶合金溫度，E是形狀記憶合金的楊氏模量，Θ是熱膨脹系數，Ω_S是壓力引起的相變參數，Ω_T是溫度引起的相變參數；

所述的輸出方程如下：F_o＝2σ·A；

其中，A是單個形狀記憶合金絲的橫截面積，l是形狀記憶合金的長度，k是偏置彈簧的剛度；

第四步，根據輸出方程和模型計算所得的應力σ，計算變剛度系統主動輸出的力F₀與形狀記憶合金相變ε；以變剛度系統主動輸出的力F₀改變外骨骼剛度；

第五步，根據變剛度系統主動輸出的力F₀和形狀記憶合金相變ε，構建外骨骼運動學以及動力學模型，進而將變剛度系統主動輸出的力F₀和形狀記憶合金相變ε轉化為電機轉角Δθ；變剛度系統主動輸出的力F₀用來改變外骨骼膝關節的剛度，Δθ用來補償外骨骼電機的位置控制；F'_exo為電機實際輸出力，其關系為：

F'_exo＝k·C₁+F_o

其中，L_c為變剛度主動元長度，l_a為電機轉軸與變剛度主動元安裝位置的垂直距離；r為電機轉軸與變剛度主動元安裝位置的水平距離；C₁為變剛度主動元被動壓縮量；

第六步，通過關節運動控制系統使外骨骼跟隨人體運動；所述關節運動控制系統由內環速度環以及外環力閉環組成；C_w是簡化速度控制器的比例參數，內環速度環以編碼器作為反饋信號；C_t是簡化的力控制器的比例參數；外環力閉環將外部傳感器信號轉化為速度，以內環速度環進行電機控制，其傳遞函數為：

其中，k是偏置彈簧的剛度；J_m是驅動系統的轉動慣量；s為傳遞函數因變量，θ_h為人體關節輸入角度；Δθ是電機轉角。