用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法技术

本发明专利技术提供一种用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法，具体实施过程为：S1、分析样本的特征信息，构建外层控制结构：设置外骨骼机器人的初始参考步态轨迹，并采集外骨骼机器人与样本的交互力矩；对初始参考步态轨迹进行修正，并输出相空间参考步态轨迹；重置初始参考步态轨迹并周期性地更新外层控制结构的输出。S2、基于S1的参考步态轨迹，构建内层控制结构：实时采集外骨骼机器人的关节角度、速度和加速度的数值；基于关节角度和参考步态轨迹，输出外骨骼机器人关节速度参考量。S3、基于S2的关节速度参考量，对外骨骼机器人的关节电机进行速度控制。本发明专利技术可以根据训练情况实时调整关节电机输出力矩，提升外骨骼机器人的柔顺性及训练效果。训练效果。训练效果。

【技术实现步骤摘要】
用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法


[0001]本专利技术涉及外骨骼机器人领域，特别涉及一种用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法。

技术介绍

[0002]随着机器人技术的发展，特别是外骨骼机器人在包括医疗、军工等各种领域都表现出了强大的实用性和发展潜力。
[0003]但是传统的外骨骼机器人只能局限于特定的工作内容，其运动轨迹是在使用前预先规划好的，尽管在处理固定场景任务时能满足要求，但缺少灵活性，用户只能被动的进行运动或训练，缺乏主动参与，一旦任务目标更改或外骨骼用户自身运动状态改变，则会无法完成预定任务或训练目标，并且外骨骼机器人与用户之间柔顺性能很差，严重时甚至会造成不必要的损伤，尤其是对于下肢外骨骼用户来说，一旦用户存在与外骨骼机器人相斥的力，外骨骼机器人就会强迫用户跟随，很容易造成用户失衡、甚至跌倒，训练效果不理想。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法，利用内外双层的控制结构，通过外层控制结构采集样本的特征，为不同样本或者同一样本不同训练目标，提供合理的初始步态参考，并通过测量样本与外骨骼之间的主动交互力矩信息，对初始步态参考进行调整；通过内层采集样本的关节角度和速度信息，通过在相空间内的矢量合成，将控制量转变为关节速度值，在外层的基础上，进一步增强了训练效果，并实现了目标可调，同时采用速度控制，提高了系统的整体顺畅度及柔顺性。
[0005]本专利技术提供了一种用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法，具体实施步骤如下：
[0006]S1、分析样本的特征信息，构建外层控制结构，并输出在关节相空间下的外骨骼机器人参考步态轨迹，具体包括以下子步骤：
[0007]S11、设置外骨骼机器人的初始参考步态轨迹，并采集外骨骼机器人与样本的交互力矩，其包括以下子步骤：
[0008]S111、分析样本客观生理特征并结合训练目标，设置外骨骼机器人初始参考步态轨迹，通过选择轨迹参数a
i
、c
i
、d
i
对外骨骼机器人初始参考步态轨迹进行参数化，具体表达式如下：
[0009][0010]其中，为符合目标客观生理特征的外骨骼机器人初始参考步态轨迹，表示一个完整运动周期内各关节角度随时间的变化，参数a
i
表示缩放轨迹振幅，参数c
i
能改变并影响目标运动的周期，参数d
i
改变外骨骼机器人各关节屈曲和伸展的量，i＝1表示外骨骼机器人第一关节，i＝2表示外骨骼机器人第二关节；
[0011]S112、在一个完整运动周期内，采集外骨骼机器人与样本的交互力矩，并存储；
[0012]S12、基于步骤S11得到的外骨骼机器人初始参考步态轨迹，对外骨骼机器人初始参考步态轨迹进行修正，并输出关节相空间的外骨骼机器人参考步态轨迹，其包括以下子步骤：
[0013]S121、根据外骨骼机器人的结构，利用拉格朗日法推导出外骨骼机器人的动力学模型；
[0014]S122、根据外骨骼机器人与样本交互的阻抗参数K
P
和K
D
，并结合步骤S112得到的交互力矩，计算在一个完整运动周期内，外骨骼机器人在各采样时刻的瞬时参考关节角度的修正量Δq和修正后的瞬时参考关节角度q
REF,NEW
；
[0015]S123、基于步骤S122得到的瞬时参考关节角度q
REF,NEW
构建代价函数，通过最速下降法最小化代价函数，拟合出修正后的外骨骼机器人参考步态轨迹其中，t为时间，i为外骨骼机器人的第i关节；
[0016]S124、对步骤S123得到的参考步态轨迹进行联合处理，输出关节相空间的外骨骼机器人参考步态轨迹其中hip表示外骨骼机器人的第一关节角度，knee表示外骨骼机器人的第二关节角度；
[0017]S13、重置外骨骼机器人初始参考步态轨迹并周期性地更新外层控制结构的输出；
[0018]S2、基于步骤S1获得的关节相空间外骨骼机器人参考步态轨迹，构建内层控制结构，输出外骨骼机器人关节速度参考量，其包括以下子步骤：
[0019]S21、通过关节处的绝对值编码器实时采集外骨骼机器人的关节角度、关节速度和关节加速度的数值；
[0020]S22、基于步骤S21采集的关节角度和步骤S125得到的关节相空间下的外骨骼机器人参考步态轨迹确定内层控制结构，包括以下子步骤：
[0021]S221、将任一时刻样本关节角度映射为关节相空间内一瞬时实际矢量点，并通过几何分析找出最接近瞬时实际矢量点的瞬时目标矢量点；
[0022]S222、将瞬时目标矢量点的法线方向作为调整方向将瞬时目标矢量点的切向方向作为跟踪方向再根据训练目标选取控制参数λ、k，计算得到速度合成矢量具体表达式如下：
[0023][0024]其中，λ和k为内层控制结构参数，分别用来调整关节速度参考量的大小和方向，和分别为跟踪方向和调整方向，为瞬时参考矢量点与瞬时目标矢量点之间的距离范数；
[0025]S3、基于步骤S2内层控制结构得到的关节速度参考量，对外骨骼机器人的关节电机进行速度控制。
[0026]可优选的是，在所述步骤S111中，通过改变参数集合a～d，可以产生不同的外骨骼
关节初始参考步态轨迹曲线。
[0027]可优选的是，所述步骤S121中动力学模型的具体表达式如下：
[0028][0029]其中，M(q)为2
×
2对称正定惯量矩阵，为科式力和离心力矩阵，G(q)重力矩阵，为关节间隙摩擦力矩阵，T＝[T1,T2]T
，T1为外骨骼第一关节驱动力矩，T2为外骨骼第二关节驱动力矩，T
h
＝[T
h1
,T
h2
]T
为通过力传感器测量的人机交互力矩，T
h1
为外骨骼第一关节人机交互力矩，T
h2
为外骨骼第二关节人机交互力矩，q＝[q1,q2]T
，q1为外骨骼第一关节角度，q2为外骨骼第二关节角度，为外骨骼第二关节角度，为外骨骼第一关节角速度，为外骨骼第二关节角速度，关节角速度，为外骨骼第一关节角加速度，为外骨骼第二关节角加速度。
[0030]可优选的是，在步骤S122中，外骨骼机器人在各采样时刻的瞬时参考关节角度的修正量Δq的具体表达式如下：
[0031][0032]其中，K
P
、K
D
为阻抗参数，T
h
为外骨骼机器人与样本的交互力矩；
[0033]外骨骼机器人在各个采样时刻修正后的瞬时参考关节角度q
REF,NEW
的具体表达式如下：
[0034]q
REF,NEW
＝q
REF,OLD
‑
ω
·
Δq
[0035]其中，Δq为瞬时参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：S1、从数据库中提取样本信息，分析样本的特征信息，构建外层控制结构，并输出在关节相空间下的外骨骼机器人参考步态轨迹，具体包括以下子步骤：S11、设置外骨骼机器人的初始参考步态轨迹，并采集外骨骼机器人与样本的交互力矩，包括以下子步骤：S111、分析样本的客观生理特征并结合训练目标，设置外骨骼机器人初始参考步态轨迹，通过选择轨迹参数a
i
、c
i
、d
i
对外骨骼机器人初始参考步态轨迹进行参数化，具体表达式如下：其中，为符合目标客观生理特征的外骨骼机器人初始参考步态轨迹，表示一个完整运动周期内各关节角度随时间的变化，参数a
i
表示缩放轨迹振幅，参数c
i
能改变并影响目标运动的周期，参数d
i
改变外骨骼机器人各关节屈曲和伸展的量，i＝1表示外骨骼机器人第一关节，i＝2表示外骨骼机器人第二关节，t为时间；S112、在一个完整运动周期内，采集外骨骼机器人与样本的交互力矩，并存储；S12、基于步骤S11得到的外骨骼机器人初始参考步态轨迹，对外骨骼机器人初始参考步态轨迹进行修正，并输出关节相空间的外骨骼机器人参考步态轨迹，其包括以下子步骤：S121、根据外骨骼机器人的结构，利用拉格朗日法推导出外骨骼机器人的动力学模型；S122、根据外骨骼机器人与样本交互的阻抗参数K
P
和K
D
，并结合步骤S112得到的交互力矩，计算在一个完整运动周期内，外骨骼机器人在各采样时刻的瞬时参考关节角度的修正量Δq和修正后的瞬时参考关节角度q
REF,NEW
；S123、基于步骤S122得到的瞬时参考关节角度q
REF,NEW
构建代价函数，通过最速下降法最小化代价函数，拟合出修正后的外骨骼机器人参考步态轨迹其中，t为时间，i为外骨骼机器人的第i关节；S124、对步骤S123得到的参考步态轨迹进行联合处理，输出关节相空间的外骨骼机器人参考步态轨迹其中hip表示外骨骼机器人的第一关节角度，knee表示外骨骼机器人的第二关节角度；S13、重置外骨骼机器人初始参考步态轨迹并周期性地更新外层控制结构的输出；S2、基于步骤S1获得的关节相空间外骨骼机器人参考步态轨迹，构建内层控制结构，输出外骨骼机器人关节速度参考量，具体包括以下子步骤：S21、通过关节处的绝对值编码器实时采集外骨骼机器人的关节角度、关节速度和关节加速度的数值；S22、基于步骤S21采集的关节角度和步骤S125得到的关节相空间下的外骨骼机器人参考步态轨迹确定内层控制结构，包括以下子步骤：S221、将任一时刻样本关节角度映射为关节相空间内一瞬时实际矢量点，并通过几何分析找出最接近瞬时实际矢量点的瞬时目标矢量点；S222、将瞬时目标矢量点的法线方向作为调整方向将瞬时目标矢量点的切向方向作
为跟踪方向再根据训练目标选取控制参数λ、k，计算得到速度合成矢量具体表达式如下：其中，λ和k为内层控制结构参数，分别用来调整关节速度参考量的大小和方向，和分别为跟踪方向和调整方向，为瞬时参考矢量点与瞬时目标矢量点之间的距离范数；S3、基于步骤S2内层控制结构得到的关节速度参考量，对外骨骼机器人的关节电机进行速度控制。2.根据权利要求1所述的用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法，其特征在于，在所述步骤S111中，通过改变参数集合a～d，能够产生不同的外骨骼关节初始参考步态轨迹曲...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦利，王珂，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：