一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，该方法首先通过实时控制器检测到脚底压力传感器信号，并判断助力外骨骼下肢机构是处于摆动还是支撑状态，根据所处的状态选择采集腰部上或小腿上的多维力传感器的信号；实时控制器将多维力传感器接触点的力转换为该点期望的速度，通过运算进而得出髋关节和膝关节的期望角度；实时控制器通过采集运算旋转编码器的角度信息，输出控制电液伺服阀的电压信号；伺服阀放大板将该电压信号转化为电液伺服阀的电流信号；电液伺服阀根据电流信号的大小，实现对流入液压缸流量的控制，进而实现液压缸活塞位置的控制；本发明专利技术在人机间交互问题上有效、可靠，并具有对人体运动意图快速响应的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人领域，尤其涉及一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法。
技术介绍
军队士兵经常需要背负重物进行长距离行走或作战，过重的负载常会对士兵身体造成一定的伤害，在这种背景下，需要开发一款能在战场环境中增强士兵速度、力量以及耐力的外骨骼装备；在科考、消防营救等领域，科考人员及消防营救人员常常需要长距离行走、背负重物、运送伤员、野外作战、登山探险等，传统的轮式交通工具难以在这些特殊场合发挥作用。除此之外，外骨骼也可以被用于仓库的货物装卸，以减轻搬运工人的劳动强度。外骨骼与人的组合能适应非结构化的环境，拥有极好的灵活性，可以完成一些复杂的装卸的工作，如为战斗机装卸导弹等，这是其他的装卸设备难以比拟的。外骨骼在这些领域的应用将对这些领域起到非常积极的作用。另外，老龄化正在全球蔓延，外骨骼的出现不仅可以帮助一些老年人解决体力较差、行走不变的问题，也可以帮助一些丧失行动能力的人恢复部分的行动能力。助力外骨骼的特点是要求在非结构环境下与穿戴者进行协作，这要求研究人员需要解决非结构性环境下高度协调的人机一体化问题，包括有效、可靠的人机间交互问题，对人体运动意图的快速响应问题，轻便、灵活的仿生结构设计，人机系统的安全性问题等，这些技术问题还处于初级摸索阶段，并不成熟，还需要进行深入的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，该方法在人机间交互问题上有效、可靠，并具有对人体运动意图快速响应的特点。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，所述可穿戴式助力外骨骼下肢机构包括：腰部、左腿、右腿、液压伺服驱动系统、实时控制器、电源模块；其中，所述左腿和右腿分别与腰部铰接，并对称设置在腰部两侧；液压伺服驱动系统分别与左腿和右腿相连，并对其进行控制；液压伺服驱动系统与实时控制器相连；电源模块对液压伺服驱动系统供电；所述腰部包括：倾角传感器、负重板、两个底板、第二连接板、第一多维力传感器、腰部绑带等；其中，两个底板分别安装在负重板的两侧；倾角传感器固定联接在负重板上；第二连接板固定联接在负重板上；第一多维力传感器固定连接在第二连接板上；腰部绑带固定连接在第一多维力传感器上；所述液压伺服驱动系统包括：蓄能器、第一电液伺服阀、第二电液伺服阀、配油盘(19)、伺服阀放大板、液压泵站等；其中，蓄能器固定联接在第一连接板上；第一电液伺服阀、第二电液伺服阀均与配油盘固定联接；配油盘与第一连接板固定联接；蓄能器和配油盘的进油口均与液压泵站出油口连接；第一电液伺服阀的进油口、第二电液伺服阀的进油口均与配油盘进油口相连，第一电液伺服阀的出油口与配油盘的第一出油口相连，第二电液伺服阀的出油口与配油盘的第二出油口相连；伺服阀放大板与底板固定连接，一方面用于放大实时控制器输出的控制信号的功率，另一方面将实时控制器的电压信号转化为电流信号；第二多维力传感器固定连接在左右腿的小腿上；髋关节旋转编码器和膝关节旋转编码器分别设置在髋关节和膝关节处；脚底压力传感器设置在脚底板上；该方法包括如下步骤：(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；同时，初始化第一多维力传感器、第二多维力传感器、髋关节旋转编码器和膝关节旋转编码器；(2)实时控制器的数据采集模块检测到脚底压力传感器传来的信号，根据一条腿是否接触地面的情况，判断助力外骨骼下肢机构处于摆动状态或支撑状态；(3)如果助力外骨骼下肢机构处于支撑状态，选择采集腰部上的第一多维力传感器的信号；如果助力外骨骼下肢机构处于摆动状态，选择采集小腿上的第二多维力传感器的信号；(4)通过实时控制器的运算与通信模块将第一多维力传感器或第二多维力传感器接触点的力F转换为该点期望的速度v；v＝KvF其中：F为第一多维力传感器或第二多维力传感器上测得的人‐机之间的作用力，设F=FxFyMz,]]>Fx为x轴的作用力，Fy为y轴的作用力，Mz为z轴的力矩；Kv为对角矩阵，Kv＝diag(kx,ky,kw)，kx为x轴的线速度增益参数，ky为y轴的线速度增益参数，kw为z轴的转动角速度增益参数；v为第一多维力传感器或第二多维力传感器安装点的运动速度，设v=vxvywz,]]>vx为x轴的线速度，vy为y轴的线速度，wz为z轴的转动角速度；(5)计算雅可比矩阵的逆矩阵ω＝J-1v，得出髋关节和膝关节的期望速度ω，再对其进行积分，得出髋关节和膝关节的期望角度qd；(6)实时控制器通过采集运算髋关节旋转编码器和膝关节旋转编码器的角度信息q，输出控制电液伺服阀的电压信号u(t)；u(t)=kpe(t)+1ki∫0te(t)dt+kdde(t)dt]]>其中，e(t)＝qd(t)-q(t)，qd(t)为实时控制器通过采集运算得出的髋关节和膝关节的期望角度，q(t)为髋关节和膝关节对应旋转编码器测量到的角度；kp为比例系数，ki为积分时间常数，kd为微分时间常数；(7)伺服阀放大板将步骤(6)获得的电压信号u(t)转化为电液伺服阀的电流信号；(8)第一电液伺服阀和第二电液伺服阀根据电流信号的大小，实现对流入第一液压缸和第二液压缸流量的控制，进而实现液压缸活塞位置的控制；本专利技术与
技术介绍
相比，具有的有益效果是：本专利技术主要针对在长时间负重作业环境下辅助或者增强人们的步行能力。其动力系统采用具有体积小、质量轻、布局灵活、机构紧凑，而且能够输出较大力或扭矩、动作响应灵敏，易于控制等特点的液压驱动方式。传感器系统主要分布在腰部、小腿、液压缸、脚底等位置来实现较有效、可靠的人-机交互。设置柔性机构，采用拟人机构设计，可穿戴式的结构设计适应人体生理结构，通过与人体下肢运动关节的耦合实现与人体协调运动。同时具有安全性的设计，通过选择合适材料不但足以负担重物，也可以应付一定范围内的冲击载荷；软限位和硬限位等共同实现碰撞前的预防和碰撞后的保护。附图说明图1是本专利技术的整体形状结构示意图：图2是本专利技术的腰部放大结构示意图；图3是本专利技术的髋关节放大结构示意图；图4是本专利技术的液压控制单元放大结构示意图；图5是本专利技术的大腿放大结构示意图；图6是本专利技术的小腿放大结构示意图；图7是本专利技术的实时控制器控制结构框图；图8是本专利技术的控制流程图；图中，腰部1、液压伺服驱动系统2、髋关节3、大腿4、膝关节5、小腿6、踝关节7、脚掌8、第一连接板9、倾角传感器10、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，其特征在于，所述可穿戴式助力外骨骼下肢机构包括：腰部(1)、左腿、右腿、液压伺服驱动系统(2)、实时控制器、电源模块等；其中，所述左腿和右腿分别与腰部(1)铰接，并对称设置在腰部(1)两侧；液压伺服驱动系统(2)分别与左腿和右腿相连，并对其进行控制；液压伺服驱动系统(2)与实时控制器相连；电源模块对液压伺服驱动系统(2)供电；所述腰部(1)包括：倾角传感器(10)、负重板(11)、两个底板(12)、第二连接板(13)、第一多维力传感器(14)、腰部绑带(15)；其中，两个底板(12)分别安装在负重板(11)的两侧；倾角传感器(10)固定联接在负重板(11)上；第二连接板(13)固定联接在负重板(11)上；第一多维力传感器(14)固定连接在第二连接板(13)上；腰部绑带(15)固定连接在第一多维力传感器(14)上；所述液压伺服驱动系统(2)包括：蓄能器(16)、第一电液伺服阀(17)、第二电液伺服阀(18)、配油盘(19)、伺服阀放大板(36)、液压泵站等；其中，蓄能器(16)固定联接在第一连接板(9)上；第一电液伺服阀(17)、第二电液伺服阀(18)均与配油盘(19)固定联接；配油盘(19)与第一连接板(9)固定联接；蓄能器(16)和配油盘(19)的进油口均与液压泵站出油口连接；第一电液伺服阀(17)的进油口、第二电液伺服阀(18)的进油口均与配油盘(19)进油口相连，第一电液伺服阀(17)的出油口与配油盘(19)的第一出油口相连，第二电液伺服阀(18)的出油口与配油盘(19)的第二出油口相连；伺服阀放大板(36)与底板(12)固定连接，一方面用于放大实时控制器输出的控制信号的功率，另一方面将实时控制器的电压信号转化为电流信号；第二多维力传感器(34)固定连接在左右腿的小腿上；髋关节旋转编码器(23)和膝关节旋转编码器(32)分别设置在髋关节和膝关节处；脚底压力传感器(42)设置在脚底板上；该方法包括如下步骤：(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；同时，初始化第一多维力传感器(14)、第二多维力传感器(34)、髋关节旋转编码器(23)和膝关节旋转编码器(32)；(2)实时控制器的数据采集模块检测到脚底压力传感器(42)传来的信号，根据一条腿是否接触地面的情况，判断助力外骨骼下肢机构处于摆动状态或支撑状态；(3)如果助力外骨骼下肢机构处于支撑状态，选择采集腰部(1)上的第一多维力传感器(14)的信号；如果助力外骨骼下肢机构处于摆动状态，选择采集小腿(6)上的第二多维力传感器(34)的信号；(4)通过实时控制器的运算与通信模块将第一多维力传感器(14)或第二多维力传感器(34)接触点的力F转换为该点期望的速度v；v＝KvF其中：F为第一多维力传感器(14)或第二多维力传感器(34)上测得的人‐机之间的作用力，设F=FxFyMz,]]>Fx为x轴的作用力，Fy为y轴的作用力，Mz为z轴的力矩；Kv为对角矩阵，Kv＝diag(kx,ky,kw)，kx为x轴的线速度增益参数，ky为y轴的线速度增益参数，kw为z轴的转动角速度增益参数；v为第一多维力传感器(14)或第二多维力传感器(34)安装点的运动速度，设v=vxvywz,]]>vx为x轴的线速度，vy为y轴的线速度，wz为z轴的转动角速度；(5)计算雅可比矩阵的逆矩阵ω＝J‑1v，得出髋关节(3)和膝关节(5)的期望速度ω，再对其进行积分，得出髋关节(3)和膝关节(5)的期望角度qd；(6)实时控制器通过采集运算髋关节旋转编码器(21)和膝关节旋转编码器(32)的角度信息q，输出控制电液伺服阀的电压信号u(t)；u(t)=kpe(t)+1ki∫0te(t)dt+kdde(t)dt]]>其中，e(t)＝qd(t)‑q(t)，qd(t)为实时控制器通过采集运算得出的髋关节(3)和膝关节(4)的期望角度，q(t)为髋关节(3)和膝关节(5)对应旋转编码器测量到的角度；kp为比例系数，ki为积分时间常数，kd为微分时间常数；(7)伺服阀放大板(36)将步骤(6)获得的电压信号u(t)转化为电液伺服阀的电流信号；(8)第一电液伺服阀(17)和第二电液伺服阀(18)根据电流信号的大小，实现对流入第一液压缸(20)和第二液压缸(31)流量的控制，进而实现液压缸活塞位置的控制。...

【技术特征摘要】
1.一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，其特征在于，所述可穿戴式助力外骨
骼下肢机构包括：腰部(1)、左腿、右腿、液压伺服驱动系统(2)、实时控制器、电源模
块等；其中，所述左腿和右腿分别与腰部(1)铰接，并对称设置在腰部(1)两侧；液压
伺服驱动系统(2)分别与左腿和右腿相连，并对其进行控制；液压伺服驱动系统(2)与
实时控制器相连；电源模块对液压伺服驱动系统(2)供电；
所述腰部(1)包括：倾角传感器(10)、负重板(11)、两个底板(12)、第二连接板
(13)、第一多维力传感器(14)、腰部绑带(15)；其中，两个底板(12)分别安装在负
重板(11)的两侧；倾角传感器(10)固定联接在负重板(11)上；第二连接板(13)固
定联接在负重板(11)上；第一多维力传感器(14)固定连接在第二连接板(13)上；腰
部绑带(15)固定连接在第一多维力传感器(14)上；
所述液压伺服驱动系统(2)包括：蓄能器(16)、第一电液伺服阀(17)、第二电液伺
服阀(18)、配油盘(19)、伺服阀放大板(36)、液压泵站等；其中，蓄能器(16)固定
联接在第一连接板(9)上；第一电液伺服阀(17)、第二电液伺服阀(18)均与配油盘(19)
固定联接；配油盘(19)与第一连接板(9)固定联接；蓄能器(16)和配油盘(19)的
进油口均与液压泵站出油口连接；第一电液伺服阀(17)的进油口、第二电液伺服阀(18)
的进油口均与配油盘(19)进油口相连，第一电液伺服阀(17)的出油口与配油盘(19)
的第一出油口相连，第二电液伺服阀(18)的出油口与配油盘(19)的第二出油口相连；
伺服阀放大板(36)与底板(12)固定连接，一方面用于放大实时控制器输出的控制信号
的功率，另一方面将实时控制器的电压信号转化为电流信号；
第二多维力传感器(34)固定连接在左右腿的小腿上；髋关节旋转编码器(23)和膝
关节旋转编码器(32)分别设置在髋关节和膝关节处；脚底压力传感器(42)设置在脚底
板上；
该方法包括如下步骤：
(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；同时，初始
化第一多维力传感器(14)、第二多维力传感器(34)、髋关节旋转编码器(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋扬，朱世强，张学群，裴翔，姚斌，朱笑丛，韩永红，徐兆红，陈珊，陈庆诚，贺静，潘忠强，李渠成，严水峰，徐业业，
申请(专利权)人：上海申磬产业有限公司，浙江大学，
类型：发明
国别省市：上海;31