一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，所述控制方法的步骤为：1)首先将预处理后的表面肌电信号代入肌肉骨骼模型计算得到人体关节的估计扭矩和刚度；2)根据估计的人体关节扭矩和刚度设置外骨骼的辅助扭矩和刚度；3)利用变刚度关节的弹性特性，实现外骨骼关节的扭矩和刚度控制。本发明专利技术的控制方法不仅可以根据用户的志愿有效控制外骨骼的辅助扭矩，而且可以根据用户的运动行为实时调整刚度；扭矩辅助的方法不需要设定参考轨迹，也不需要额外的扭矩传感器，满足用户不同运动模式下的辅助需求；变刚度控制则可以提高外骨骼对环境的适应能力，并提高外骨骼与用户的交互柔顺性。用户的交互柔顺性。用户的交互柔顺性。

A voluntary compliance assistant control method for variable stiffness exoskeleton

【技术实现步骤摘要】
一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法


[0001]本专利技术涉及机器人领域，尤其是一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法。

技术介绍

[0002]我国已经进入老龄化社会，由于年龄疾病而导致的下肢运动功能障碍的群众与日俱增。下肢运动功能障碍已经严重影响了他们的日常生活，并给他们的家庭带来的巨大的经济和精神负担。外骨骼机器人是一种令人兴奋的潜在解决方案，可以帮助运动功能障碍患者恢复日常活动。
[0003]传统的外骨骼机器人通常由高减速比的电机配合减速器驱动，可以实现精确的位置控制。但是，由于高的减速变通常会导致高的反向驱动阻抗，使得用户难以反向驱动外骨骼机器人。特别在传感器发生故障的情况下，难以保证用户的安全。目前研究的变刚度外骨骼因其变刚度的特性，可以适应复杂的任务，并且具有高的交互柔顺性和安全性而备受青睐。
[0004]与此同时，传统的外骨骼控制通常采用精确的轨迹控制、基于参考轨迹的阻抗控制、以及导纳控制，这在外骨骼的康复训练中被证明是有效的。但是，在用户的日常行走中，用户的运动轨迹并不是固定的，这种预设轨迹式的控制策略并不适合辅助用户的日常生活。此外，由于变刚度外骨骼的变刚度特性使得控制更加复杂，如何有效的结合外骨骼的变刚度特性来提高外骨骼的性能也是目前的研究难点。因此，需要进一步开发用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，以实现下肢运动功能障碍患者的日常生活辅助。
[0005]在申请号为201910574269.3的中国专利申请中，公开了一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，其通过检测髋关节和膝关节的关节角度和角速度来判断用户的步态阶段，在摆动相构建理想的膝关节和髋关节协调轨迹曲线，通过PD控制器来使外骨骼跟踪理想曲线轨迹，以协调用户的步态。但是其外骨骼采用固定的预设轨迹，只适合用户特定的步行场景。
[0006]在申请号为201510502174.2的中国专利申请中，公开了一种降阶的单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制的方法，其采用级联力控制方法，上层控制器通过测量交互力传感器来生成外骨骼关节的参考轨迹，下层控制器实现对参考轨迹的跟踪。外骨骼的参考轨迹可以根据用户的运动实时更改，但交互力传感器测得信号与用户的运动意图仍存在一定的延迟，外骨骼与用户存在额外的交互力。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
的缺陷，提供一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，外骨骼可以根据用户的志愿主动提供扭矩辅助，并实时调整关节刚度，实现对用户日常生活的运动辅助。
[0008]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0009]一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，包括以下步骤：
[0010]步骤S1，获取并执行预设的控制程序；
[0011]步骤S2，获取用户股内侧肌、股外侧肌、半膜肌、半腱肌的表面肌电信号并进行滤波处理，将处理后的肌电信号代入肌肉骨骼模型，计算得到用户关节的扭矩和刚度；
[0012]步骤S3，根据用户关节的扭矩和刚度，生成关节的外骨骼的辅助扭矩和刚度；
[0013]步骤S4，根据设定的关节的外骨骼辅助扭矩，采用估计的用户主动参与度自适应的调节关节的外骨骼的参考刚度；
[0014]步骤S5，根据设定的关节的外骨骼参考轨迹，采用无扭矩传感器扭矩控制器对关节的外骨骼的辅助扭矩进行跟踪控制；根据设定的关节的外骨骼的参考刚度，采用闭环PID控制来实现关节的外骨骼刚度的跟踪控制；
[0015]步骤S6，重复步骤S2
‑
S5的步骤直至辅助任务完成，实时调整外骨骼的辅助扭矩，使外骨骼的辅助扭矩与用户关节的需求扭矩方向一致，从而实现用户日常生活的运动辅助；实时调整关节的外骨骼的刚度以保证最优的关节的外骨骼的刚度，从而提高外骨骼对环境的适应能力。
[0016]优选的，所述步骤S2中根据用户表面肌电信号估计用户关节扭矩和刚度的方法具体为：
[0017]建立人体关节的肌肉骨骼模型：
[0018][0019]其中，F
imt
是肌肉肌腱力，η是肌肉与骨骼的夹角，F
ia
是主动肌肉力，F
ip
是被动肌肉力；
[0020]主动肌肉力和被动肌肉力为：
[0021][0022][0023]其中，f
a
(l
i
)和f
p
(l
i
)是与肌肉长度有关的函数，l
i
是归一化肌肉长度，v
i
是归一化肌肉速度，f
v
(v
i
)是与归一化肌肉速度有关的函数，λ
i
(t)是处理后的表面肌电信号，是最大肌肉力；
[0024]肌肉对关节的扭矩：
[0025][0026]其中，是第i块肌肉对关节的扭矩，是第i块肌肉的肌肉力，r
i
是第i块肌肉的杠杆臂；
[0027]关节扭矩合成：
[0028][0029]其中，下标Extensor表示伸肌的扭矩，Flexor表示屈肌的扭矩，σ1表示伸肌的比例系数，σ2表示屈肌的比例系数；
[0030]关节刚度计算：
[0031][0032]其中k1和k2是常数；
[0033]优选的，步骤S3中生成关节的外骨骼辅助扭矩和刚度方法为：
[0034]关节外骨骼的辅助扭矩：
[0035]T
ref
＝ωτ
joint
ꢀꢀꢀ
(7)
[0036]其中ω是辅助比例系数；
[0037]关节外骨骼的刚度：
[0038][0039]其中，K
θ
(K
joint
)是关节外骨骼膝的设置刚度，K
θ，min
是关节的外骨骼的的最小刚度，K
θ，max
是关节的外骨骼的最大刚度，是步行中的最大人体关节刚度，K
joint
是实时估计的人体关节刚度。
[0040]优选的，所述步骤S4中，外骨骼的无扭矩传感器扭矩控制和刚度控制方法为：
[0041]在所述无扭矩传感器扭矩控制方法中，反馈扭矩通过外骨骼刚度和弹性偏角估计：
[0042]T
es
＝K
θ
θ
ꢀꢀꢀ
(9)
[0043]其中θ为关节的外骨骼由于外部负载而产生的弹性偏角；
[0044]所述无扭矩传感器扭矩控制方法采用闭环PID控制，电机工作在速度模式，控制输入为：
[0045][0046]其中，e1(t)为参考扭矩和估计扭矩的误差，K
p1
，K
i1
和K
d1
是PID控制器的参数。
[0047]优选的，所述外骨骼刚度控制方法采用PID闭环控制，电机工作在速度模式，控制输入为：
[0048][0049]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，获取并执行预设的控制程序；步骤S2，获取用户股内侧肌、股外侧肌、半膜肌、半腱肌的表面肌电信号并进行滤波处理，将处理后的肌电信号代入肌肉骨骼模型，计算得到用户关节的扭矩和刚度；步骤S3，根据用户关节的扭矩和刚度，生成关节的外骨骼的辅助扭矩和刚度；步骤S4，根据设定的关节的外骨骼辅助扭矩，采用估计的用户主动参与度自适应的调节关节的外骨骼的参考刚度；步骤S5，根据设定的关节的外骨骼参考轨迹，采用无扭矩传感器扭矩控制器对关节的外骨骼的辅助扭矩进行跟踪控制；根据设定的关节的外骨骼的参考刚度，采用闭环PID控制来实现关节的外骨骼刚度的跟踪控制；步骤S6，重复步骤S2
‑
S5的步骤直至辅助任务完成，实时调整外骨骼的辅助扭矩，使外骨骼的辅助扭矩与用户关节的需求扭矩方向一致，从而实现用户日常生活的运动辅助；实时调整关节的外骨骼的刚度以保证最优的关节的外骨骼的刚度，从而提高外骨骼对环境的适应能力。2.根据权利要求1中所述的一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，其特征在于，所述步骤S2中根据用户表面肌电信号估计用户关节扭矩和刚度的方法具体为：建立人体关节的肌肉骨骼模型：其中，F
imt
是肌肉肌腱力，η是肌肉与骨骼的夹角，F
ia
是主动肌肉力，F
ip
是被动肌肉力；主动肌肉力和被动肌肉力为：主动肌肉力和被动肌肉力为：其中，f
a
(l
i
)和f
p
(l
i
)是与肌肉长度有关的函数，l
i
是归一化肌肉长度，v
i
是归一化肌肉速度，f
v
(v
i
)是与归一化肌肉速度有关的函数，λ
i
(t)是处理后的表面肌电信号，是最大肌肉力；肌肉对关节的扭矩：其中，是第i块肌肉对关节的扭矩，是第i块肌肉的肌肉力，r
i
是...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱杨辉，吴青聪，陈柏，赵子越，鲁嵩山，陈志贤，张烨虹，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：