(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210538489.2 (22)申请日 2022.05.18 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 吴青聪　赵子越　朱杨辉　陈志贤　 张烨虹　竺文帆　鲁嵩山　 (74)专利代理 机构 南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 专利代理师 王苗 (51)Int.Cl. B25J 9/00(2006.01) B25J 9/08(2006.01) B25J 9/16(2006.01) B25J 18/00(2006.01) (54)发明名称 一种远端变刚度可重构模块化外骨骼及其 控制系统和控制方法 (57)摘要 本发明公开了一种远端变刚度可重构模块 化外骨骼， 包括穿戴机构、 设置于穿戴机构上的 若干远端变刚度驱动器、 若干外骨骼模块， 远端 变刚度驱动器包括输入盘、 输出盘和驱动输入盘 转动的驱动电机， 输入盘相对输出盘转动； 外骨 骼模块包括上连接板、 下连接板、 与下连接板固 定连接的套索轮， 下连接板相对上连接板转动， 驱动套索绕在套索轮和输出盘上形成带传动； 一 个远端变刚度驱动器对应一个外骨骼模块。 将外 骨骼模块化， 可以单个模块单独使用， 也可定制 化多关节组合使用， 适应多种工作场景的需要， 成本更低且后期维护方便； 采用远端的套索传 动， 减少关节的惯量， 将质量大的仿生驱动器放 置在背部， 符合人体受力习惯， 方便在狭窄空间 内作业。 权利要求书2页 说明书7页 附图9页 CN 114770478 A 2022.07.22 CN 114770478 A 1.一种远端变刚度 可重构模块化外骨骼， 其特征在于， 包括穿戴机构、 设置于穿戴机构 上的若干远端变刚度驱动器、 若干外骨骼模块， 所述远端变刚度驱动器包括驱动电机(10)、 与驱动电机配合的减速器、 与减速器输出固定连接的驱动转轴(14)、 安装在驱动转轴上的 输入盘(1)、 同样安装在驱动转轴上的输出盘(12)、 调节输入盘(1)和输出盘(2)之间连接刚 度的刚度调节装置， 所述输入盘(1)相对驱动转轴固定； 输出盘(12)绕驱动转轴 转动； 所述 输出盘(12)上绕有驱动套索； 所述外骨骼模块包括上连接板(39)、 设置于上连接板(39)下端的下连接板(44)、 与下 连接板上端固定连接的套索轮(43)， 所述下连接板和套索轮相 对上连接板转动， 所述驱动 套索绕在套索轮(43)上， 输出盘、 套索轮和驱动套索形成带传动； 所述一个远端变刚度驱动器对应一个外骨骼模块。 2.根据权利要求1所述的远端变刚度 可重构模块化外骨骼， 其特征在于， 所述刚度调节 装置包括若干 设置于输入盘(1)上面向输出盘一侧的输入滑轮(2)、 若干设置于输出盘(12) 上面向输入盘一侧的输出滑轮(3)、 用于输入滑轮和输出滑轮之间传递扭矩的钢丝绳(20)， 所述钢丝绳一端连接变刚度拉簧(24)的一端， 变刚度拉簧(24)另一端与输入盘固定连接； 所述钢丝绳另一端固定于绳盘(5)上， 绳盘(5)通过调刚转轴(15)定位于输入盘上， 绳盘(5) 与调刚转轴固定连接且绳 盘相对于输入盘旋转， 调刚转轴平行于驱动转轴(14)且穿过输入 盘与从动带轮固定连接； 所述刚度调节装置 设置调刚电机(28)， 调刚电机输出轴连接蜗杆， 蜗杆配合有涡轮， 涡轮同轴固定有主动带轮， 主动带轮和从动带轮上套设有同步带(22)， 所 述主动带轮转动通过同步带 带动从动带轮转动， 从而带动绳盘转动。 3.根据权利要求1所述的远端变刚度 可重构模块化外骨骼， 其特征在于， 所述远端变刚 度驱动器还包括驱动器支架(19)， 驱动支架(19)套设于驱动转轴(14)， 所述驱动电机(10) 固定于驱动支 架(19)上， 驱动支 架(19)上端设置驱动套索穿过的通 孔。 4.一种权利要求1至3任意一项所述的远端变刚度 可重构模块化外骨骼的控制系统， 其 特征在于， 包括数据采集模块、 模型建立模块、 判断模块和控制模块； 所述数据采集模块用 于实时采集外骨骼模块动作时外骨骼的数据； 所述模型建立模块用于根据数据采集模块采集的数据建立人机交 互作业模型； 所述判断模块用于判断外骨骼模块进行的作业状态， 以及根据外骨骼模块进行的作业 状态判断是否对外骨骼模块进行控制； 所述控制模块用于控制远端变刚度驱动器对外骨骼模块进行控制。 5.根据权利要求4所述的控制系统， 其特征在于， 所述控制模块通过控制调刚电机和驱 动电机的转速控制远端变刚度驱动器调节外骨骼模块的刚度和扭矩。 6.一种如权利要求 4或5所述的控制系统的控制方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤S100： 对外骨骼模块进行不同作业场景下的模拟作业动作， 同时采集外骨骼模块 动作时外骨骼的数据； 步骤S200： 根据采集的数据建立人机交 互作业模型； 步骤S300： 使用外骨骼模块进行实际作业任务， 同时实时采集外骨骼的数据， 并根据人 机交互作业模型判断此时外骨骼模块进行的作业状态； 步骤S400： 根据外骨骼模块进行的作业状态判断是否对外骨骼模块进行控制； 如果对 外骨骼模块进行控制则进行步骤S5 00；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114770478 A 2步骤S500： 根据人机交互作业模型及外骨骼模块的作业状态， 通过控制远端变刚度驱 动器对外骨骼模块进行控制； 步骤S600： 重 复步骤S300至步骤S500， 直至实际作业任务完成； 并实时采集作业任务完 成过程中外骨骼的数据； 步骤S700： 将实时采集的数据对人机交 互作业模型进行修 正。 7.根据权利要求6所述的控制方法， 其特征在于， 所述步骤S200中， 将采集的外骨骼数 据录入示教数据库， 然后使用TP ‑GMM模型学习搬运示 教数据库中的数据并生成概率扭矩轨 迹， 同时根据作业场景及人体动力学模型生成理论扭矩轨迹， 根据理论扭矩轨迹对概率扭 矩轨迹进行概率密度修正， 得到期望扭矩轨迹模型； 期望扭矩轨迹模型结合导纳控制的力 学模型得到期望刚度轨 迹模型。 8.根据权利要求6所述的控制方法， 其特征在于， 所述远端变刚度驱动器对外骨骼模块 扭矩进行控制时的扭矩控制方程 为： 其中， a为输入滑轮的滑轮中心到输入盘旋转中心的半径， K为钢丝绳和变刚度拉簧的 等效刚度， b为输入滑轮组的中心距， c为输出滑轮的滑轮中心到输出盘旋转中心的半径， F0 为变刚度拉簧的预 紧力， θ为弹性偏角， Fs为驱动套索的预 紧力， r为外骨骼模块上套索轮的 半径， μ为套索与套管的摩擦系数， ψ为套索套管的曲率。 9.根据权利要求8所述的控制方法， 其特征在于， 所述远端变刚度驱动器对外骨骼模块 刚度进行控制时的刚度控制方程 为： 其中， θ 1为驱动电机编码器示数， θ2为外骨骼模块编码器示数。 10.根据权利要求8或9所述的控制方法， 其特征在于， 所述步骤S400中， 根据不同作业 任务， 对远端变刚度驱动器的弹性偏角 θ设置阈值， 在进行实际作业任务时， 如果实时采集 的弹性偏角 θ低于设置的阈值， 则控制远端变刚度驱动器进行作业控制。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114770478 A 3