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专利号: 2021110202404
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-19
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.下肢外骨骼非线性弹性驱动器的力矩控制方法,用于非线性弹性驱动器输出力矩的精确控制,包括如下步骤:

1)获得虚拟位移函数;把基于胡克定律计算得到的非线性弹性驱动器的输出力矩写为如下形式:其中 为驱动器输出力矩,c为模型固定参数,k为弹性驱动器中使用的弹性元件刚度,为弹性驱动器偏转角度;

定义虚拟位移z为:

2) 绘制驱动器输出力矩相对于虚拟位移的轨迹图;把力矩轨迹曲线分为上升、下降和过渡三个阶段,写为:其中 ,  和 分别为上升阶段,下降阶段和过渡阶段的方程函数;

在上升阶段与下降阶段的力矩公式可以写为:

其中  ,i,j=A, B, C, D, E, F, G, H,   和   为点i的位置坐标值;

3)拟合不同幅值下力矩轨迹曲线;上升曲线与过渡阶段之间的转折点 ,下降曲线与过渡阶段之间的转折点 ,在计算过程中实时更新;更新规则如下:当满足公式(6)时 将自动更新为当前值z:

其中  和   分别为  的前一个和后一个点;

当满足公式(7)时 将自动更新为当前值z:

如果 和 中的其中一个值自动更新,则另一个值也将根据下面公式自动更新:其中

4)拟合过渡阶段驱动器输出力矩曲线轨迹;采用改进Maxwell‑Slip迟滞模型进行拟合,改进Maxwell‑Slip迟滞模型与传统Maxwell‑Slip模型相比,在N个具有弹性元素模块的基础上额外并联了一根主弹簧,该主弹簧产生弹簧力τ0,该处力矩可写为:其中  与 为固定参数, 和 会随着转折点 和

的更新而实时更新;

5)获得整体模型参数值;标定力矩曲线上升与下降阶段的点A,B,C,……H的位置坐标,可根据公式(4)和公式(5)获得该阶段的模型参数;标定力矩曲线过渡阶段点Pi的位置坐标,i=1,2,……N,获得过渡阶段改进Maxwell‑Slip模型参数如下:其中 为线段 的斜率,   为点 所处的虚拟位移值,  =abs ( ‑ ) 将根据  和 的变化而实时改变;

6) 根据参考力矩获得对应的驱动器偏转角度,搭建迟滞力矩逆模型;迟滞力矩逆模型与所述的改进Maxwell‑Slip迟滞模型的区别在于输入与输出互换,即轨迹的横纵坐标进行了互换;迟滞力矩逆模型的计算方法与所述的改进Maxwell‑Slip迟滞模型计算方法,即步骤1)至步骤5)一致,但横纵坐标互换;

7)设计驱动器力矩控制器实现驱动器的力矩精确控制;在该驱动器力矩控制器中,参考轨迹为给定的参考力矩,电机的输入控制信号为角度轨迹;驱动器所需的偏转角度信息根据参考力矩信息按照迟滞逆模型计算获得;在获得驱动器偏转角度信息之后,可得电机的参考角度轨迹为驱动器偏转角度与驱动器输出端运动角度之和;电机的实际旋转角度通过安装在电机末端的码盘获得,电机将在其驱动器内部PID控制器控制下按照给定的角度轨迹信息运动,进而输出给定的参考力矩。

2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼非线性弹性驱动器的力矩控制方法,其特征在于:步骤2)所述的上升阶段与下降阶段力矩曲线所构造的方程函数为一阶函数。

3.根据权利要求1所述的下肢外骨骼非线性弹性驱动器的力矩控制方法,其特征在于:步骤4)所述的过渡阶段采用的改进Maxwell‑Slip迟滞力模型,改进Maxwell‑Slip迟滞模型参数 和 在转折点 和 未改变时保持不变,在 和 更新时随之更新。

4.根据权利要求1所述的下肢外骨骼非线性弹性驱动器的力矩控制方法,其特征在于:步骤5)在力矩轨迹曲线上标定目标点位置坐标,通过目标点位置坐标值可通过运动学计算得到模型参数值。