一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法技术

本发明专利技术公开了一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，所述外骨骼由控制器、微型气泵、两位三通负压气阀、两位三通正压气阀、IMU模块、气压传感器、负压旋转弹性体驱动器等组成；实时反馈与闭环控制方法包括：首先控制器对IMU模块采集人体下肢角度参数进行分析，对行走步态进行识别，然后建立负压弹性体驱动器在一个步态周期不同时刻提供的力矩输入方程，而后计算负压弹性体驱动器角度、气压与力矩三者之间的对应关系，最后构建气压‑转速‑气阀指令模型，微型气泵、两位三通负压气阀以及两位三通正压气阀按照模型指令，执行相应动作，通过负压弹性体驱动器为用户提供与步态周期和膝关节力矩需求匹配的辅助力矩。

A real-time feedback and closed-loop control method of pneumatic flexible knee exoskeleton under negative pressure

【技术实现步骤摘要】
一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法
本专利技术属于柔性外骨骼机器人、下肢外骨骼以及负压弹性体驱动器
，特别涉及一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法。
技术介绍
机器人外骨骼是一种并联穿戴于人体外部的装置，控制系统通过传感系统实时检测肢体运动状态，并通过驱动系统实现关节助力，达到增强肢体力量或辅助人体运动的目标。外骨骼机器人与工业机器人、移动机器人最大的不同在于它需要与人体密切接触，形成所谓“人在环中”的人-机混合系统，显著增加了其在设计、感知和控制研究方面的难度。总体来说，当前无论国际和国内的穿戴式下肢外骨骼仍主要集中在外骨骼的机械结构设计方面，而在对人肢体运动意图的理解与识别方面，一些文献研究探讨了运动意图检测问题但解决并不充分，而在下肢外骨骼控制方面的已有研究结果则更为有限，这就导致了下肢外骨骼无法在复杂环境中按照人的运动意图和节律协调运动，导致穿戴者代谢消耗巨大，与增强穿戴者运动能力的目标相去甚远。人-机混合系统中外骨骼如何识别用户步态，理解并顺应人的运动意图，安全柔顺的完成既定任务，是外骨骼研究中的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，所述负压气动柔性膝关节外骨骼包括控制器、微型气泵、两位三通负压气阀、两位三通正压气阀、惯性测量单元模块(IMU模块)、气压传感器、锂电池组、负压旋转弹性体驱动器、气管以及安装固定结构件；/n所述实时反馈与闭环控制方法包括以下步骤：/n步骤S1，进行人体行走步态判断，/n步骤S2，建立负压弹性体驱动器在一个步态周期不同时刻提供的力矩输入方程，/n步骤S3，计算负压弹性体驱动器角度、气压与力矩三者之间的对应关系，/n步骤S4，构建气压-转速-气阀指令模型；/n基于所述实时反馈与闭环控制方法，所述控制器首先对所述IMU模块采集人体下肢角度参数进...

【技术特征摘要】
1.一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，所述负压气动柔性膝关节外骨骼包括控制器、微型气泵、两位三通负压气阀、两位三通正压气阀、惯性测量单元模块(IMU模块)、气压传感器、锂电池组、负压旋转弹性体驱动器、气管以及安装固定结构件；
所述实时反馈与闭环控制方法包括以下步骤：
步骤S1，进行人体行走步态判断，
步骤S2，建立负压弹性体驱动器在一个步态周期不同时刻提供的力矩输入方程，
步骤S3，计算负压弹性体驱动器角度、气压与力矩三者之间的对应关系，
步骤S4，构建气压-转速-气阀指令模型；
基于所述实时反馈与闭环控制方法，所述控制器首先对所述IMU模块采集人体下肢角度参数进行计算和分析，对人体当前的行走步态进行识别；然后对所述气压传感器实时采集的负压旋转弹性体驱动器的压力信息进行接收和处理，对用户步态周期中膝关节对力矩需求以及负压弹性体驱动器自身所能提供的与步态周期匹配的伸展和弯曲力矩水平进行评估，建立负压弹性体驱动器在一个步态周期中不同时刻提供的力矩输入方程，并计算负压弹性体驱动器在不同角度下气压和力矩三者之间的对应关系；最后构建气压-转速-气阀指令计算模型，实时计算满足模型所需要的气泵转速和气阀开关量，微型气泵、两位三通负压气阀以及两位三通正压气阀按照控制器指令，执行相应动作，通过负压弹性体驱动器为用户提供与步态周期和膝关节力矩需求匹配的辅助力矩。


2.根据权利要求1所述的负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S1进行人体行走步态判断包括：
步骤S11，将IMU模块安装到所述负压气动柔性膝关节外骨骼上；
步骤S12，对所述IMU模块进行校准，消除穿戴IMU模块位置不准确带来的影响；
步骤S13，使用所述IMU模块采集人体下肢角度参数；
步骤S14，以所述人体下肢角度参数作为输入信号，采用基于规则的分类算法对人体当前的行走模式进行识别。


3.根据权利要求2所述的负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S11过程包括：在负压气动柔性膝关节外骨骼安装4个IMU模块，分别位于左、右大腿和小腿的外侧，并且所有IMU模块的Pitch角度平面都与人体矢状面平行；
所述步骤S12的校准过程包括：存储人体静止站立时各IMU模块采集到的Pitch角度，并使所有IMU模块采集到的Pitch角度值都减去站立时采集到的Pitch角度，从而将人体静止站立时各IMU模块的Pitch角度都标定为零；根据IMU模块在腿上的安装位置，每个IMU模块的Pitch角度反应的是大腿或者小腿的旋转角度，将右大腿IMU模块的Pitch角度与右小腿IMU模块的Pitch角度相减和将左小腿IMU模块的Pitch角度与左大腿IMU模块的Pitch角度相减即可计算出两条腿的膝关节角度，为了处理的方便统一都将其转化为负值；
所述步骤S13中的人体下肢角度参数包括：左腿膝关节角度θL和右腿膝关节角度θR；所述下肢运动时间参数包括：左腿膝关节伸展时间和弯曲时间分别为tLS和tLB，右腿膝关节伸展时间和弯曲时间分别为tRS和tRB。


4.根据权利要求2所述的负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S14中的基于规则的分类算法包括采样规则，步态周期判断规则，以及步态分类判断规则；根据采样规则和步态周期判断规则，通过选取的采样点和多种特征与相应的条件和阈值组成步态分类判断规则来实现对人体当前的步态进行实时识别；所述的步态包括行走过程中左腿膝关节伸展阶段、左腿膝关节弯曲阶段、右腿膝关节伸展阶段和右腿膝关节弯曲阶段。


5.根据权利要求4所述的负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S14中采样规则为：
规则1：在采集人体下肢角度参数过程中，对左腿膝关节和右腿膝关节角度参数进行连续采样，每20ms采样一次，其中左腿角度变化过程中任意三个连续采样点记为TN,TN+1,TN+2，(N≥1,N为整数)，即TN+1与TN间隔20ms，TN+2与TN+1间隔20ms,对应上述三个时刻的膝关节角度分别为θTN，θT(N+1)，θT(N+2)；右腿角度变化过程中任意三个连续采样点记为TM,TM+1,TM+2,(M≥1,M为整数),TM+1与TM间隔20ms，TM+2与TM+1间隔20ms,对应上述三个时刻的右腿膝关节角度分别为θTM，θT(M+1)，θT(M+2)。


6.根据权利要求4所述的负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S14中的基于规则的分类算法中的步态周期判断规则为：
规则2：θL≤-20°，θR≤-20°，θTN＞θT(N+1)，θT(N+1)＜θT(N+2)，θTM＞θT(M+1)，θT(M+1)＜θT(M+2)；
首次满足规则2则认为TN+2点和TM+2点的时间间隔为一个步态周期T。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张连存，黄强，王志恒，刘娟，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11