一种单关节助力外骨骼滑模控制的方法技术

本发明专利技术公开了一种单关节助力外骨骼滑模控制的方法，该方法首先采集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；本发明专利技术的滑模变结构控制方法具有响应快速、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识，物理实现简单等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种单关节助力外骨骼滑模控制的方法
本专利技术涉及机器人控制领域，尤其涉及一种单关节助力外骨骼滑模控制的方法。
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，这是其他的装卸令备难以比拟的。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，提供一种单关节助力外骨骼滑模控制的方法，该控制方法根据当前的状态，按照预定的“滑动模态”的状态轨迹运动。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种单关节助力外骨骼滑模控制的方法，所述单关节助力外骨骼包括：液压缸、关节旋转编码器、力传感器、大腿杆件、小腿杆件、绷带、第一压力传感器、第二压力传感器、电液伺服阀(图中未示出)、伺服放大板(图中未示出)、实时控制器(图中未示出)；所述大腿杆件和小腿杆件通过铰链连接，在铰接处设置关节旋转编码器；液压缸的一端与大腿杆件铰接，另一端与小腿杆件铰接；第一压力传感器固定安装在液压缸的一端，第二压力传感器固定安装在液压缸的另一端；力传感器设置在小腿杆件上，绑带与力传感器相连；液压缸与电液伺服阀相连，电液伺服阀与伺服放大板相连，伺服放大板、关节旋转编码器、力传感器、第一压力传感器、第二压力传感器均与实时控制器相连；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；(2)将单关节助力外骨骼的大腿杆件和小腿杆件旋转至平行位置，此时，初始化单关节助力外骨骼上的关节旋转编码器，将关节旋转编码器的数值调零；初始化力传感器、第一压力传感器和第二压力传感器，将力传感器、第一压力传感器和第二压力传感器的数值均调零；(3)当大腿杆件和小腿杆件发生相对转动时，采集小腿杆件上的力传感器的信号；(4)通过实时控制器的运算与通信模块将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为力传感器上测得的人-机之间的作用力，设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为力传感器安装点的运动速度，设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，得出膝关节的期望速度ω，再对其进行积分，得出膝关节的期望角度qd；(6)建立单关节助力外骨骼伺服液压系统的模型；(7)实时控制器通过采集、运算关节旋转编码器旋转的角度q，通过自主设计的滑模变结构控制器模型进行计算，输出电液伺服阀的控制电压u；(8)通过伺服阀放大板将步骤(7)获得的阀控制电压u转化为电液伺服阀的控制电流；(9)通过控制电流的大小来控制伺服阀的阀芯开口大小，从而控制液压缸两端的压力，推动液压缸运动，实现单关节助力外骨骼的运动跟随。进一步地，所述步骤6具体为：(6.1)阀流量的方程假设阀芯向右移动时，阀芯位移xv为正，此时液压油流入无杆腔；当阀芯位移xv为负时，液压油流入有杆腔；当液压油进入无杆腔时，进入无杆腔流量的流量Qp1为：从有杆腔流出的流量Qp2为：其中：Cd为阀口节流系数；Ao1、Ao2分别为无杆腔节流阀口开口面积和有杆腔节流阀口开口面积，取Ao1＝Ao2；Ps为供油压力；P1为无杆腔压力；P2为有杆腔压力；P0为系统回油路径上产生的背压，取P0＝0；ρ为液压油密度；节流阀口开口面积Ao1与阀芯位移xv的关系可以表示为：Ao1＝Wxv(3)其中，W为节流阀口面积梯度；(6.2)阀芯位移方程由于伺服阀的频响较高，远大于系统的频响，故假设阀芯位移xv与阀控制电压u为一线性关系，即：xv＝k·u(4)其中，k为比例系数；(6.3)缸流量连续性方程对于无杆腔，其流量连续性方程为：其中：V1为无杆腔容积，包含液压缸无杆腔容积以及从阀到缸的管路容积；Cin为缸内泄系数；β为有效体积弹性模量，该值为油液、连接管道和缸体的总机械柔度的倒数；式(5)中，为无杆腔推动活塞运动所需的流量，为无杆腔由于液压油压缩所需的流量，Cin(P1-P2)为液压缸两腔之间由于存在的压力差而产生的泄露流量；对于有杆腔，其流量连续性方程为：其中：V2为有杆腔容积，包含液压缸有杆腔容积以及从阀到缸的管路容积；Cex为缸外泄系数；式(6)中，为有杆腔推动活塞运动所需的流量，为有杆腔由于液压油压缩所需的流量，CexP2为有杆腔的对外泄漏量；将式(5)、(6)中的V1、V2写为：V1＝V10+xpAp1(7)V2＝V20+(L-xp)Ap2(8)其中：xp为液压缸活塞的位移，当活塞运动到最左端时，xp＝0；V10为当xp＝0时，无杆腔的容积，包含液压缸无杆腔容积以及从阀到缸的管路容积；Ap1为无杆腔截面积；V20为当xp＝0时，有杆腔的容积，包含液压缸有杆腔容积以及从阀到缸的管路容积；L为液压缸活塞的总位移；Ap2为有杆腔截面积；为了简化模型，取：联立式(1)(2)(3)(4)(9)，有：其中：FL＝P1AP1-P2AP2；联立式(5)(7)(10)(11)，有：其中：当阀芯位移xv＞0时，得到以上结果；当阀芯位移xv＜0时，同理得到：其中：(6.4)外骨骼几何模型建立液压缸活塞的运动速度与关节旋转编码器旋转的角速度之间的关系，即如下：其中，为有效半径，式中l5为关节旋转编码器到液压缸与小腿杆件铰接点之间的几何直线长度，l6为关节旋转编码器到液压缸与大腿杆件铰接点之间的几何直线长度；α1为关节旋转编码器到液压缸与小腿杆件铰接点之间的连线与大腿杆件之间的角度；α2为关节旋转编码器到液压缸与大腿杆件铰接点之间的连线与小腿杆件之间的夹角；q为关节旋转编码器旋转的角度；由式(12)(14)(15)得：其中：这里l0是活塞位移为0时对应的液压缸两固定端之间的距离。进一步地，所述自主设计的滑模变结构控制器模型为：取膝关节的期望角度qd，关节旋转编码器旋转的角度q，误差为e＝qd-q，取滑模函数s为：s＝e(16)由(15)得：得其中，kc1、kc2均为控制增益；kc1需要满足sign(s)表示为符号函数，s为正，则为1，s为负，则为0。与现有技术相比，本专利技术的有益效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单关节助力外骨骼滑模控制的方法，所述单关节助力外骨骼包括：液压缸(1)、关节旋转编码器(2)、力传感器(3)、大腿杆件(4)、小腿杆件(5)、绷带(6)、第一压力传感器(7)、第二压力传感器(8)、电液伺服阀、伺服放大板、实时控制器等；所述大腿杆件(4)和小腿杆件(5)通过铰链连接，在铰接处设置关节旋转编码器(2)；液压缸(1)的一端与大腿杆件(4)铰接，另一端与小腿杆件(5)铰接；第一压力传感器(7)固定安装在液压缸(1)的一端，第二压力传感器(8)固定安装在液压缸(1)的另一端；力传感器(3)设置在小腿杆件(5)上，绑带(6)与力传感器(3)相连；液压缸(1)与电液伺服阀相连，电液伺服阀与伺服放大板相连，伺服放大板、关节旋转编码器(2)、力传感器(3)、第一压力传感器(7)、第二压力传感器(8)均与实时控制器相连；其特征在于，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；(2)将单关节助力外骨骼的大腿杆件(4)和小腿杆件(5)旋转至平行位置，此时，初始化单关节助力外骨骼上的关节旋转编码器(2)，将关节旋转编码器(2)的数值调零；初始化力传感器(3)、第一压力传感器(7)和第二压力传感器(8)，将力传感器(3)、第一压力传感器(7)和第二压力传感器(8)的数值均调零；(3)当大腿杆件(4)和小腿杆件(5)发生相对转动时，采集小腿杆件(5)上的力传感器(3)的信号；(4)通过实时控制器的运算与通信模块将力传感器(3)接触点的力F转换为该点期望的速度v；v＝KvF其中：F为力传感器(3)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为力传感器(3)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，得出膝关节的期望速度ω，再对其进行积分，得出膝关节的期望角度qd；(6)建立单关节助力外骨骼伺服液压系统的模型；(7)实时控制器通过采集、运算关节旋转编码器(2)旋转的角度q，通过自主设计的滑模变结构控制器模型进行计算，输出电液伺服阀的控制电压u；(8)通过伺服阀放大板将步骤7获得的阀控制电压u转化为电液伺服阀的控制电流；(9)通过控制电流的大小来控制伺服阀的阀芯开口大小，从而控制液压缸(1)两端的压力，推动液压缸(1)运动，实现单关节助力外骨骼的运动跟随。...

【技术特征摘要】
1.一种单关节助力外骨骼滑模控制的方法，所述单关节助力外骨骼包括：液压缸(1)、关节旋转编码器(2)、力传感器(3)、大腿杆件(4)、小腿杆件(5)、绷带(6)、第一压力传感器(7)、第二压力传感器(8)、电液伺服阀、伺服放大板、实时控制器；所述大腿杆件(4)和小腿杆件(5)通过铰链连接，在铰接处设置关节旋转编码器(2)；液压缸(1)的一端与大腿杆件(4)铰接，另一端与小腿杆件(5)铰接；第一压力传感器(7)固定安装在液压缸(1)的一端，第二压力传感器(8)固定安装在液压缸(1)的另一端；力传感器(3)设置在小腿杆件(5)上，绑带(6)与力传感器(3)相连；液压缸(1)与电液伺服阀相连，电液伺服阀与伺服放大板相连，伺服放大板、关节旋转编码器(2)、力传感器(3)、第一压力传感器(7)、第二压力传感器(8)均与实时控制器相连；其特征在于，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；(2)将单关节助力外骨骼的大腿杆件(4)和小腿杆件(5)旋转至平行位置，此时，初始化单关节助力外骨骼上的关节旋转编码器(2)，将关节旋转编码器(2)的数值调零；初始化力传感器(3)、第一压力传感器(7)和第二压力传感器(8)，将力传感器(3)、第一压力传感器(7)和第二压力传感器(8)的数值均调零；(3)当大腿杆件(4)和小腿杆件(5)发生相对转动时，采集小腿杆件(5)上的力传感器(3)的信号；(4)通过实时控制器的运算与通信模块将力传感器(3)接触点的力F转换为该点期望的速度v；v＝KvF其中：F为力传感器(3)上测得的人-机之间的作用力，设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为力传感器(3)安装点的运动速度，设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w＝J-1v，得出膝关节的期望速度w，再对其进行积分，得出膝关节的期望角度qd；(6)建立单关节助力外骨骼伺服液压系统的模型；(7)实时控制器通过采集、运算关节旋转编码器(2)旋转的角度q，通过自主设计的滑模变结构控制器模型进行计算，输出电液伺服阀的控制电压u；所述自主设计的滑模变结构控制器模型为：取膝关节的期望角度qd，关节旋转编码器(2)旋转的角度q，误差为e＝qd-q，取滑模函数s为：s＝e(16)由式(15)得：得其中，kc1、kc2均为控制增益；kc1需要满足sign(s)表示为符号函数，s为正，则为1，s为负，则为0；(8)通过伺服阀放大板将步骤7获得的阀控制电压u转化为电液伺服阀的控制电流；(9)通过控制电流的大小来控制伺服阀的阀芯开口大小，从而控制液压缸(1)两端的压力，推动液压缸(1)运动，实现单关节助力外骨骼的运动跟随。2.根据权利要求1所述的单关节助力外骨骼滑模控制的方法，其特征在于，所述步骤6具体为：(6.1)阀流量的方程假设阀芯向右移动时，阀芯位移xv为正，此时液压油流入无杆腔；当阀芯位移xv为负时，液压油流入有杆腔；当液压油进入无杆腔时，进入无杆腔流量的流量Qp1为：从有杆腔流出的流量Qp2为：其中：Cd为阀口节流系数；Ao1、Ao2分别为无杆腔节流阀口开口面积和有杆腔节流阀口开口面积，取Ao1＝Ao2；Ps为供油压力；P1为无杆腔压力；P2为有杆腔压力；P0为系统回油路径上产生的背压，取P0＝0；r为液压油密度；节流阀口开口面积Ao1与阀芯位移xv的关系可以表示为：Ao1＝Wxv(3)其中，W为节流阀口面积梯度；(6.2)阀芯位移方程由于伺服阀的频响较高，远大于系统的频响，故假设阀芯位移xv与阀控制电压u为一线性关系，即：xv＝ku(4)其中，k为比例系数；(6.3)缸流量连续性方程对于无杆腔，其流量连续性方程为：其中：V1为无杆腔容积，包含液压缸无杆腔容积以及从阀到缸的管路容积；Cin为缸内泄系数；b为...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱世强，张学群，裴翔，宋扬，姚斌，朱笑丛，陈珊，陈庆诚，贺静，徐业业，潘忠强，李渠成，严水峰，韩永红，徐兆红，
申请(专利权)人：浙江大学，上海申磬产业有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33