[發(fā)明專利]基于形狀記憶合金的變剛度關(guān)節(jié)控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010765908.7
• 申請日: 2020-08-03
• 公開（公告）號: CN112025694B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉冬;杜宇;叢明;張佳琦;楊勁松
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué);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(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

一種基于形狀記憶合金的變剛度關(guān)節(jié)控制方法，屬于軟體驅(qū)動控制領(lǐng)域，基于形狀記憶合金變剛度控制系統(tǒng)和關(guān)節(jié)運(yùn)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)。首先，通過Bang?Bang控制器，計算形狀記憶合金的輸入電流。其次，在形狀記憶合金的相變過程中，以馬氏體體分?jǐn)?shù)ξ描述形狀記憶合金相變程度，由Brinsion本構(gòu)模型計算形狀以及合金的應(yīng)力σ。再次，利用輸出方程和應(yīng)力σ計算整個變剛度系統(tǒng)的輸出力F₀與形狀記憶合金相變ε，以輸出力F₀改變外骨骼剛度。最后，根據(jù)F₀和形狀記憶合金相變ε構(gòu)建外骨骼運(yùn)動學(xué)以及動力學(xué)模型；通過關(guān)節(jié)運(yùn)動控制系統(tǒng)使外骨骼跟隨人體運(yùn)動。本發(fā)明能夠計算SMA相變過程中產(chǎn)生的力和位移，有效提升SMA相變的遲滯性實時性；能夠改變剛度的同時，使外骨骼設(shè)備跟隨人體運(yùn)動，達(dá)到隨動助力的效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于軟體驅(qū)動控制領(lǐng)域，涉及一種基于形狀記憶合金的變剛度關(guān)節(jié)控制方法。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭、醫(yī)療對增強(qiáng)、恢復(fù)受試群體運(yùn)動能力的需求不斷提升，變剛度關(guān)節(jié)逐漸成為研究熱點(diǎn)。基于形狀記憶合金(簡稱SMA)的變剛度關(guān)節(jié)可以有效減輕外骨骼重量，提高關(guān)節(jié)的機(jī)動性。所以構(gòu)建基于SMA的變剛度關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)具備極大的現(xiàn)實意義。

基于經(jīng)典控制理論的SMA控制方法，其特點(diǎn)主要是簡單。但是SMA相變特性是非線性和時變的，其相變參數(shù)也很難獲取，導(dǎo)致當(dāng)SMA的外界條件發(fā)生改變時，經(jīng)典線性控制理論的控制方法控制性能急劇下降。本文提出以精確建模的方式進(jìn)行形狀記憶合金變剛度控制，更加適合SMA這種非線性時變模型系統(tǒng)。并結(jié)合傳統(tǒng)電機(jī)，控制整體變剛度關(guān)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服SMA相變過程中的非線性與遲滯性，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種形狀記憶合金控制方法，降低控制系統(tǒng)對環(huán)境的高敏感性，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案為：

一種基于形狀記憶合金的變剛度關(guān)節(jié)控制方法，該變剛度關(guān)節(jié)控制方法基于形狀記憶合金變剛度控制系統(tǒng)和關(guān)節(jié)運(yùn)動控制系統(tǒng)實現(xiàn)。所述形狀記憶合金變剛度控制系統(tǒng)用來調(diào)整外骨骼系統(tǒng)剛度，該控制系統(tǒng)是以Brinsion本構(gòu)模型為基礎(chǔ)的半閉環(huán)控制系統(tǒng)，由Bang-Bang控制求解形狀記憶合金的輸入電流，以此電流改變系統(tǒng)的溫度。再由檢測出的形狀記憶合金實際溫度與Brinson本構(gòu)模型的輸出應(yīng)力，求解當(dāng)前的馬氏體體積分?jǐn)?shù)，該體積分?jǐn)?shù)是表示形狀記憶合金的基礎(chǔ)。應(yīng)用Brinson本構(gòu)模型根據(jù)相變運(yùn)動學(xué)模型所得的馬氏體體積分?jǐn)?shù)，計算當(dāng)前的應(yīng)力，由輸出方程計算整體變剛度主動元系統(tǒng)的輸出力與位移，改變系統(tǒng)整體剛度。由于其輸出力與位移不能直接應(yīng)用于電機(jī)控制中，所以根據(jù)外骨骼運(yùn)動學(xué)以及動力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)角以及電機(jī)剛度變化。以此應(yīng)用于外骨骼系統(tǒng)中。所述關(guān)節(jié)運(yùn)動控制系統(tǒng)是使外骨骼跟隨人體運(yùn)動以達(dá)到助力的目的，該控制系統(tǒng)由內(nèi)環(huán)速度環(huán)，外環(huán)力閉環(huán)組成。

變剛度關(guān)節(jié)控制方法包括以下步驟：

第一步，根據(jù)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(shè)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。上述表述力的差值與輸入的實際電流的關(guān)系為：

其中，F(xiàn)_c為力誤差，是實際輸出力與形狀記憶合金變剛度主動元的設(shè)置輸入力的差值。I為輸入的等效電流。I_max為系統(tǒng)的最大電流。

第二步，在形狀記憶合金的相變過程中，其非線性較強(qiáng)，所以為了描述其相變過程，以馬氏體體分?jǐn)?shù)ξ描述形狀記憶合金相變程度。所述馬氏體體分?jǐn)?shù)ξ由溫度引起的馬氏體體積分?jǐn)?shù)ξ_T和由應(yīng)力引起的馬氏體體積分?jǐn)?shù)ξ_s求和所得，既ξ＝ξ_s+ξ_T。系統(tǒng)通過構(gòu)建相變動力學(xué)模型，求解溫度引起的馬氏體體積分?jǐn)?shù)ξ_T和由應(yīng)力引起的馬氏體體積分?jǐn)?shù)ξ_s。系統(tǒng)的相變動力學(xué)模型在不同溫度、應(yīng)力下不盡相同：