基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法及系统，包括：步骤1：建立人体下肢简化骨骼肌肉模型；步骤2：基于肌肉协同理论确定人体下肢运动肌肉激活基元；步骤3：基于下肢简化骨骼肌肉模型和人体下肢运动肌肉激活基元建立下肢运动肌肉激活强度的数学映射模型；步骤4：根据数学映射模型设计比例微分控制器。本发明专利技术模仿人类的实际运动模式，建立了骨骼肌肉模型和肌肉协同模型，使得下肢外骨骼的运动与人类的实际运动更加契合；本发明专利技术控制方案计算量小，对硬件的要求低，稳定可靠。

【技术实现步骤摘要】
基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法及系统
本专利技术涉及机器人控制
，具体地，涉及一种基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法及系统。
技术介绍
外骨骼机器人是一种可以辅助人完成行走、坐立、下蹲起立等多种运动的智能装置，其在军事、医疗等领域都得到了广泛的应用。然而现有外骨骼机器人大多属于刚性外骨骼。其采用硬式外壳，通过机械化的结构给穿戴者提供一定的助力，但95％以上的刚性外骨骼系统因为太过笨重会造成穿戴者较大的体能消耗，这并不代表外骨骼系统没有提升穿戴者的力量或协助负重，由于人机不协调，外骨骼对人体期望运动造成较大阻力。此外，现有外骨骼的控制方法依然不成熟。传统的控制方法将人体骨骼等效为刚性部件，以人体关节作为转动副，进行连接，同时结合惯性力，重力，科里奥利力和离心力的作用进行用力学建模和计算。中国专利110385697.A公开了一种外骨骼的控制方法及装置，其通过获取人体和外骨骼的质量、力矩等信息，计算出外骨骼所需提供的辅助力。中国专利110303471.A公开了一种助力外骨骼控制系统及控制方法，其通过传感通信系统感知运动意图、运动状态和生理信息，并做出命令决策，驱动机器人关节进行适时和适当的助力。这些控制方法的理论基础均没有能够包含人体的运动机理分析，运动模式与人的自然运动模式有很大的差别。它们通过预先定义的运动轨迹结合动力学模型，只能完成刚性外骨骼的基本控制，不适用与动力学较为复杂的柔性外骨骼系统，存在响应时间慢，对人的意图识别不精准的问题，难以达到人机协同运动的状态。因此基于人体的自然运动机理，提出新型柔性外骨骼机器人的控制策略，具有重要的社会意义和广阔的市场前景。专利文献CN110355761A(申请号：201910635595.0)公开了一种基于关节刚度和肌肉疲劳的康复机器人控制方法。本专利技术采集受试者的关节角度信号和表面肌电信号，结合正、逆动力学原理，通过遗传算法辨识肌肉的个性化生理参数，建立个性化关节骨骼肌肉模型，计算运动过程中的关节刚度信息；计算运动过程中表面肌电信号的中值频率，并利用其相对变化值获取受试者的疲劳信息；采用关节刚度信息和运动疲劳信息对阻抗模型的参数进行自适应调整，同时通过饱和函数对刚度和阻尼参数进行约束，实现康复机器人自适应阻抗控制方法。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法及系统。根据本专利技术提供的基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法，包括：步骤1：建立人体下肢简化骨骼肌肉模型；步骤2：基于肌肉协同理论确定人体下肢运动肌肉激活基元；步骤3：基于下肢简化骨骼肌肉模型和人体下肢运动肌肉激活基元建立下肢运动肌肉激活强度的数学映射模型；步骤4：根据数学映射模型设计比例微分控制器。优选地，所述下肢简化骨骼肌肉模型包括骨骼模型和肌肉模型；所述骨骼模型包括躯干部分、左侧大腿、左侧小腿、左侧脚、右侧大腿、右侧小腿和右侧脚；所述躯干部分包括头部、手臂和躯干；所述骨骼模型包括六个自由度：髋关节屈曲/伸展，膝关节屈曲/伸展，踝关节跖屈/背屈在矢状面的旋转自由度；所述肌肉模型包括九块肌肉实现下肢的运动；其中，有六块单关节肌肉，分别为髂腰肌IL对应髋关节屈曲，臀大肌GM对应髋关节伸展，股外肌VA对应膝关节伸展，股二头肌短头BFS对应膝关节屈曲，胫骨前肌TA对应踝关节背屈，比目鱼肌SO对应踝关节跖屈；有三块多关节肌肉，分别为股直肌RF对应髋关节屈曲和膝关节伸直，股二头肌长头BFL对应髋关节伸展和膝关节屈曲，腓肠肌GC对应膝关节背屈和踝关节跖屈；所述肌肉模型的关节周围肌肉的力矩是恒定的，与关节角度无关。优选地，提出人体下肢运动肌肉协同算法，包括：人类自然运动时，下肢各肌肉按时序进行不同强度的激活，即人类运动时，下肢运动模式可以分解为一组子运动模式的在时域上的线性叠加；构建5个下肢运动肌肉激活基元，通过在时域上线性组合得到生活场景中的运动模式，包括：模式1：激活臀大肌、股外肌和胫骨前肌；模式2：激活腓肠肌和比目鱼肌；模式3：激活髂腰肌、股直肌、股二头肌短头和腓肠肌；模式4：激活股外肌和胫骨前肌；模式5：激活臀大肌、股直肌、股二头肌长头和股二头肌短头。优选地，所述肌肉激活基元在下肢简化骨骼肌肉模型上的数学表述为：其中，pi表示第i种基本激活模式的峰值，表示脉冲在当前步态周期中的相位，Φi为pi的起始相位，Δi为pi的相位变化；每块肌肉的实际输出表示为：其中，m为九块肌肉中的任一块肌肉，Λi为不同步态和速度的振幅调整参数，ωm，i为五个激活脉冲的运动神经元的加权系数，所述肌肉实际输出力的方向为肌肉实际收缩的方向；通过反馈控制调节躯干的俯仰平衡，表述为：其中，θ是躯干俯仰角，是躯干俯仰角速度，κm，σm是调节系数；通过反馈控制来增加脚踝的下垂速度，当实际速度高于期望速度时，通过抑制站立小腿的脚踝处的单关节肌肉来减小蹬地力量，表述为：其中，v是当前运动速度，是期望运动速度，λm是调节系数；人类的运动控制发生在脑干和小脑处，命令信号存在相应的时间上的滞后，滞后输出表述为：其中，τ是脑干和小脑处接收躯体感觉信息传输并将运动命令发送到脊髓的时间滞后。优选地，所述数学映射模型表述为：优选地，外骨骼以1.6m/s的速度步行时，参数为：Λi＝1(i＝1，...，5)，T＝1.0s，Φ1＝0rad，Φ2＝1.59rad，Φ3＝2.44rad，Φ4＝3.69rad，Φ5＝5.36rad，Δ1＝0.75rad，Δ2＝1.10rad，Δ3＝1.20rad，Δ4＝1.07rad，Δ5＝0.94rad，ωGM，1＝0.33，ωVA，1＝1.02，ωTA，1＝0.27，ωSO，2＝1.09，ωGC，2＝0.84，ωIL，3＝0.99，ωBFS，3＝0.34，ωTA，3＝0.97，ωRF，3＝0.02，ωGC，3＝0.65，ωVA，4＝0.23，ωTA，4＝0.15，ωGM，5＝1.17，ωBFS，5＝0.76，ωRF，5＝0.29，ωBFL，5＝0.14，其余ωm，i＝0。优选地，当外骨骼以1.6m/s的速度跑步时，参数为：Λ1＝1.34，Λ2＝1.29，Λ3＝0.73，Λ4＝0.62，Λ5＝0.50，T＝0.8s，Φ2＝0.16rad。优选地，外骨骼以1.6m/s的速度运动时，参数为：τ＝80ms，κIL＝-1.0，κGM＝2.0，σIL＝-2.0，σGM＝0.4，λTA＝-0.2，λSO＝0.04，优选地，所述比例微分控制器的数学表示为：其中，urel为实际肌肉张力；分别表示urel，um对时间的一阶导数；Kp和Kd分别表示增益系数。一种基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制系统，其特征在于，包括：模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法，其特征在于，包括：/n步骤1：建立人体下肢简化骨骼肌肉模型；/n步骤2：基于肌肉协同理论确定人体下肢运动肌肉激活基元；/n步骤3：基于下肢简化骨骼肌肉模型和人体下肢运动肌肉激活基元建立下肢运动肌肉激活强度的数学映射模型；/n步骤4：根据数学映射模型设计比例微分控制器。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：建立人体下肢简化骨骼肌肉模型；
步骤2：基于肌肉协同理论确定人体下肢运动肌肉激活基元；
步骤3：基于下肢简化骨骼肌肉模型和人体下肢运动肌肉激活基元建立下肢运动肌肉激活强度的数学映射模型；
步骤4：根据数学映射模型设计比例微分控制器。


2.根据权利要求1所述的基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述下肢简化骨骼肌肉模型包括骨骼模型和肌肉模型；
所述骨骼模型包括躯干部分、左侧大腿、左侧小腿、左侧脚、右侧大腿、右侧小腿和右侧脚；所述躯干部分包括头部、手臂和躯干；
所述骨骼模型包括六个自由度：髋关节屈曲/伸展，膝关节屈曲/伸展，踝关节跖屈/背屈在矢状面的旋转自由度；
所述肌肉模型包括九块肌肉实现下肢的运动；
其中，有六块单关节肌肉，分别为髂腰肌IL对应髋关节屈曲，臀大肌GM对应髋关节伸展，股外肌VA对应膝关节伸展，股二头肌短头BFS对应膝关节屈曲，胫骨前肌TA对应踝关节背屈，比目鱼肌S0对应踝关节跖屈；
有三块多关节肌肉，分别为股直肌RF对应髋关节屈曲和膝关节伸直，股二头肌长头BFL对应髋关节伸展和膝关节屈曲，腓肠肌GC对应膝关节背屈和踝关节跖屈；
所述肌肉模型的关节周围肌肉的力矩是恒定的，与关节角度无关。


3.根据权利要求1所述的基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法，其特征在于，提出人体下肢运动肌肉协同算法，包括：人类自然运动时，下肢各肌肉按时序进行不同强度的激活，即人类运动时，下肢运动模式可以分解为一组子运动模式的在时域上的线性叠加；
构建5个下肢运动肌肉激活基元，通过在时域上线性组合得到生活场景中的运动模式，包括：
模式1：激活臀大肌、股外肌和胫骨前肌；
模式2：激活腓肠肌和比目鱼肌；
模式3：激活髂腰肌、股直肌、股二头肌短头和腓肠肌；
模式4：激活股外肌和胫骨前肌；
模式5：激活臀大肌、股直肌、股二头肌长头和股二头肌短头。


4.根据权利要求1所述的基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述肌肉激活基元在下肢简化骨骼肌肉模型上的数学表述为：



其中，pi表示第i种基本激活模式的峰值，表示脉冲在当前步态周期中的相位，Φi为pi的起始相位，Δi为pi的相位变化；
每块肌肉的实际输出表示为：
其中，m为九块肌肉中的任一块肌肉，Λi为不同步态和速度的振幅调整参数，ωm，i为五个激活脉冲的运动神经元的加权系数，所述肌肉实际输出力的方向为肌肉实际收缩的方向；
通过反馈控制调节躯干的俯仰平衡，表述为：



其中，θ是躯干俯仰角，是躯干俯仰角速度，κm，σm是调节系数；
通过反馈控制来增加脚踝的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李智军，魏冬，魏强，高洪波，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34