一种用于助力外骨骼系统的控制方法技术方案

本发明专利技术属于自动控制技术领域，涉及一种用于助力外骨骼系统的控制方法。本发明专利技术根据人体对助力外骨骼系统的依赖程度，将助力外骨骼系统的控制分为粗调控制和精调控制；具体方法首先通过感知系统分析出目前人体的运动状态，根据不同的运动状态，如低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走，通过粗调控制方法，利用电机控制，控制油源压力，以达到不同的运动状态所要求的液压控制量；同时，在粗调控制的基础上，为了更加精确地控制外骨骼的运动姿态，采用精调控制，通过液压缸伸长量调节外骨骼末端肢节的位姿，以达到期望的位姿，最终让外骨骼精确地实现不同的运动状态。所述助力外骨骼系统的动力控制装置为由伺服电机控制的液压泵和由伺服阀控制的液压缸构成；所述的粗调控制对应的是调节油源压力大小，所述的精调控制对应的是调节液压缸的位移大小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自动控制
，涉及一种用于助力外骨骼系统的控制方法。
技术介绍
在抢险救灾或山地环境中，人们往往需要携带大量的装备和物资，这样会影响行进速度、行走距离和机动能力，因此，各国正在加速研制符合人体工程学的外骨骼携行助力系统，以实现减少体能消耗，提高负重能力和机动能力。目前的助力外骨骼系统主要的控制方法为采用液压控制系统，并结合PID控制方法进行控制，而PID控制方法需要先给出控制参数，目前常用的PID参数给定方法为试凑法，就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度，观察系统的运行，边修改参数，直到满意为止，而对于像液压这样的系统，由于系统参数在运行过程中是不断变化的，如在伺服阀零位，液压尼系数很小而流量放大Kq系数却很大，且电液伺服阀有时不在零位工作等，当系统的参数发生变化时，系统的模型也随之改变，以不变的控制参数去控制易发生变化的对象，PID控制效果很难保证。
技术实现思路
本专利技术的目的，就是针对上述问题，提供一种电机控制与液压控制相结合的用于助力外骨骼系统的控制方法。本专利技术的技术方案为：一种用于助力外骨骼系统的控制方法，其特征在于，包括：根据人体对助力外骨骼系统的依赖程度，将助力外骨骼系统的控制分为粗调控制和精调控制；具体方法首先通过感知系统分析出目前人体的运动状态，根据不同的运动状态，如低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走，通过粗调控制方法，利用电机控制，控制油源压力，以达到不同的运动状态所要求的液压控制量；同时，在粗调控制的基础上，为了更加精确地控制外骨骼的运动姿态，采用精调控制，通过液压缸伸长量调节外骨骼末端肢节的位姿，以达到期望的位姿，最终让外骨骼精确地实现不同的运动状态。所述助力外骨骼系统的动力控制装置为由伺服电机控制的液压泵和由伺服阀控制的液压缸构成，其中，液压泵连接有油箱，伺服电机的输出由油源压力期望值和液压泵输出的油源压力输出值共同调节，伺服电机控制液压泵的输出，液压泵的输出还与伺服阀连接，伺服阀由液压缸期望位移值、油源压力输出值以及液压缸实际位移值共同调节，伺服阀通过流量控制液压缸的位移进而控制助力外骨骼系统；所述的粗调控制对应的是调节油源压力大小，所述的精调控制对应的是调节液压缸的位移大小；则还包括：a.根据助力外骨骼系统感知装置所采集到的人体运动状态信号，判断当前状态下的人体运动特性，若当前状态下的人体运动特性为轻负载运动，则进入步骤b；若当前状态下的人体运动特性为高负载运动，则进入步骤c；b.助力外骨骼系统启用粗调控制，具体为：所述人体运动状态信号至少包括低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走；设助力外骨骼系统的有效承载能达到70％，则还包括：b1.获取液压泵的油源压力期望值，具体方法为：b11.当人体运动状态信号为低速行走、站立、下蹲或起蹲时，则通过如下公式1计算当前液压泵的油源压力期望值为：公式1中，m0为仪器自重，mf为背部负荷，D是液压缸活塞直径大小，η为膝关节处力臂修正系数，Δp为伺服阀节流压力损失；背部负荷mf可以通过初始时刻脚底压力传感器数值进行估算，可通过如下公式2计算：公式2中Fsi为第i个脚底压力传感器数值，ζ为压力传感器误差修正系数；b12.当人体运动状态信号为高速行走时，则通过如下公式3计算当前液压泵的油源压力期望值为：公式3中，Pn为额定功率，qexp为液压缸流量，可通过如下公式4计算：公式4中，Ap表示液压缸横截面积，为：Ap＝πD2/4；S为液压缸的收缩速率，假设高速行走时，人体单腿一个运动步态周期为T，支撑周期设为一个步态周期60％，设液压缸满行程为Lmax＝0.16m，在快速行走时，液压缸位移为一个行程的1/2～1/3，则液压缸收缩速率可通过如下公式5计算：b2.根据步骤b1中获得的油源压力期望值，通过转速控制器对伺服电机的转速进行调节，从而通过伺服电机控制液压泵来控制油源压力输出值；c.助力外骨骼系统启用精调控制，具体为：通过如下公式6计算液压缸期望位移值：公式6中，表示当前膝关节角度变化期望值；Dist1，Dist2以及当前液压缸的期望位置构成了一个三角形，它们分别表示三角边的大腿连接点或者小腿连接点与膝关节轴承的距离。本专利技术的有益效果为，能够根据不同的人体运动状态、运动速度和运动阶段提供不同的动力支持，从而实现既能够实时跟踪人体运动并为人体运动提供高效合适的助力，同时又减少了系统能耗。附图说明图1是本专利技术的控制系统逻辑结构示意图；图2是本专利技术的粗调控制流程示意图；图3是本专利技术的精调控制流程示意图。具体实施方式下面结合附图，详细描述本专利技术的技术方案：本专利技术对针对的外骨骼系统，首先需要在系统装置的传感靴、刚肢体的膝关节、大腿、小腿、液压系统的泵出口，以及液压缸处分别安放压力传感器、压力开关、角度传感器、惯性传感器和液压传感器，实时感知人体下肢的运动状态、运动速度和运动阶段，从而为控制系统提供实时、准确的信息，该部分是本领域内技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。本专利技术的控制系统，其逻辑结构如图1所示，助力外骨骼系统的动力控制装置为由伺服电机控制的液压泵和由伺服阀控制的液压缸构成，其中，液压泵连接有油箱，伺服电机的输出由油源压力期望值和液压泵输出的油源压力输出值共同调节，伺服电机控制液压泵的输出，液压泵的输出还与伺服阀连接，伺服阀由液压缸期望位移值、油源压力输出值以及液压缸实际位移值共同调节，伺服阀通过流量控制液压缸的位移进而控制助力外骨骼系统。本专利技术的控制流程如图2、图3所示：利用泵控油源压力进行粗控制，利用伺服阀的反馈控制进行精控制，通过多种传感器的组合进行模式判别，如果当前的模式为低速行走或者站起、下蹲、起蹲，则利用油源控制方案中计算出的低速模式下的油源压力期望值，使油源压力跟踪此压力值，利用插值函数实时查找当前条件下合适的控制器，同时将数字量输出给D/A口，以此完成对油源压力的粗控制；高速行走模式下的实现流程与此类似。与此同时进行的是，通过膝关节编码器的A/D口,可以知道膝关节当前的弯曲角度，将当前角度减去膝关节编码器的初始角度，可以得出此时骨骼服膝关节的角度，利用三角形余弦定理，可知当前液压缸的长度，同时利用参数的自适应调整方案，调整不同运动状态的控制参数，输出数字量，在D/A通道的转换下，数字量变为相对应的模拟量，改变伺服阀的输入电流，以改变其开口大小。期望控制信号的获取方式如下：低速运动模式下泵控油源压力期望信号获得方法：泵控力反馈/输出流量反馈控制回路响应慢，属于粗控策略，主要用来对不同模式下需要的基本油源压力进行稳定控制；而伺服阀控制回路响应快，属于精控策略，主要对不同模式下液压缸位移进行精确伺服控制，满足人正常行走、下蹲、起蹲时，外骨骼随动跟踪需求。(1)低速行走单腿支撑在有效承载能达到70％的情况下，油源期望压力表示为： p s exp = ( m 0 + m f ) g × 70 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于助力外骨骼系统的控制方法，其特征在于，包括：根据人体对助力外骨骼系统的依赖程度，将助力外骨骼系统的控制分为粗调控制和精调控制；具体方法首先通过感知系统分析出目前人体的运动状态，根据不同的运动状态，如低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走，通过粗调控制方法，利用电机控制，控制油源压力，以达到不同的运动状态所要求的液压控制量；同时，在粗调控制的基础上，为了更加精确地控制外骨骼的运动姿态，采用精调控制，通过液压缸伸长量调节外骨骼末端肢节的位姿，以达到期望的位姿，最终让外骨骼精确地实现不同的运动状态，所述助力外骨骼系统的动力控制装置为由伺服电机控制的液压泵和由伺服阀控制的液压缸构成，其中，液压泵连接有油箱，伺服电机的输出由油源压力期望值和液压泵输出的油源压力输出值共同调节，伺服电机控制液压泵的输出，液压泵的输出还与伺服阀连接，伺服阀由液压缸期望位移值、油源压力输出值以及液压缸实际位移值共同调节，伺服阀通过流量控制液压缸的位移进而控制助力外骨骼系统；所述的粗调控制对应的是调节油源压力大小，所述的精调控制对应的是调节液压缸的位移大小；则还包括：a.根据助力外骨骼系统感知装置所采集到的人体运动状态信号，判断当前状态下的人体运动特性，若当前状态下的人体运动特性为轻负载运动，则进入步骤b；若当前状态下的人体运动特性为高负载运动，则进入步骤c；b.助力外骨骼系统启用粗调控制，具体为：所述人体运动状态信号至少包括低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走；设助力外骨骼系统的有效承载能达到70％，则还包括：b1.获取液压泵的油源压力期望值，具体方法为：b11.当人体运动状态信号为低速行走、站立、下蹲或起蹲时，则通过如下公式1计算当前液压泵的油源压力期望值为：公式1中，m0为仪器自重，mf为背部负荷，D是液压缸活塞直径大小，η为膝关节处力臂修正系数，Δp为伺服阀节流压力损失；背部负荷mf可以通过初始时刻脚底压力传感器数值进行估算，可通过如下公式2计算：公式2中Fsi为第i个脚底压力传感器数值，ζ为压力传感器误差修正系数；b12.当人体运动状态信号为高速行走时，则通过如下公式3计算当前液压泵的油源压力期望值为：公式3中，Pn为额定功率，qexp为液压缸流量，可通过如下公式4计算：公式4中，Ap表示液压缸横截面积，为：Ap＝πD2/4；S为液压缸的收缩速率，假设高速行走时，人体单腿一个运动步态周期为T，支撑周期设为一个步态周期60％，设液压缸满行程为Lmax＝0.16m，在快速行走时，液压缸位移为一个行程的1/2～1/3，则液压缸收缩速率可通过如下公式5计算：b2.根据步骤b1中获得的油源压力期望值，通过转速控制器对伺服电机的转速进行调节，从而通过伺服电机控制液压泵来控制油源压力输出值；c.助力外骨骼系统启用精调控制，具体为：通过如下公式6计算液压缸期望位移值：公式6中，表示当前膝关节角度变化期望值；Dist1，Dist2以及当前液压缸的期望位置构成了一个三角形，它们分别表示三角边的大腿连接点或者小腿连接点与膝关节轴承的距离。...

【技术特征摘要】
1.一种用于助力外骨骼系统的控制方法，其特征在于，包括：根据人体对助力外骨骼系统的依赖程度，将助力外骨骼系统的控制分为粗调控制和精调控制；具体方法首先通过感知系统分析出目前人体的运动状态，根据不同的运动状态，如低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走，通过粗调控制方法，利用电机控制，控制油源压力，以达到不同的运动状态所要求的液压控制量；同时，在粗调控制的基础上，为了更加精确地控制外骨骼的运动姿态，采用精调控制，通过液压缸伸长量调节外骨骼末端肢节的位姿，以达到期望的位姿，最终让外骨骼精确地实现不同的运动状态，所述助力外骨骼系统的动力控制装置为由伺服电机控制的液压泵和由伺服阀控制的液压缸构成，其中，液压泵连接有油箱，伺服电机的输出由油源压力期望值和液压泵输出的油源压力输出值共同调节，伺服电机控制液压泵的输出，液压泵的输出还与伺服阀连接，伺服阀由液压缸期望位移值、油源压力输出值以及液压缸实际位移值共同调节，伺服阀通过流量控制液压缸的位移进而控制助力外骨骼系统；所述的粗调控制对应的是调节油源压力大小，所述的精调控制对应的是调节液压缸的位移大小；则还包括：a.根据助力外骨骼系统感知装置所采集到的人体运动状态信号，判断当前状态下的人体运动特性，若当前状态下的人体运动特性为轻负载运动，则进入步骤b；若当前状态下的人体运动特性为高负载运动，则进入步骤c；b.助力外骨骼系统启用粗调控制，具体为：所述人体运动状态信号至少包括低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走；设助力外骨骼系统的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张向刚，王浩，秦开宇，张明，
申请(专利权)人：成都润惠科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51