一种电机驱动的力-功率控制装置、方法及外骨骼系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了电机驱动的力

【技术实现步骤摘要】
一种电机驱动的力
‑
功率控制装置、方法及外骨骼系统


[0001]本专利技术涉及外骨骼控制
，尤其涉及一种电机驱动的力
‑
功率控制装置、方法及外骨骼系统。

技术介绍

[0002]外骨骼系统是典型的人机智能系统，其一般包括外骨骼以及用于控制外骨骼与人体协同运动的控制装置。上述外骨骼在控制装置的控制回路里，将人的智能和外骨骼的负载能力相结合，实现对人体能力的增强。基于此，其控制装置的设计必须考虑人的因素。也就是说，人机(此处的人机可以理解为人与外骨骼)协同实时控制技术是外骨骼系统的关键技术之一，其要解决的关键问题是使外骨骼与人的运动高度一致，在确保人机协同一体的情况下，实现柔顺助力。
[0003]传统的外骨骼系统的助力控制方式主要包括位置控制、力控制和力
‑
位混合控制。其中，力
‑
位混合控制只是在不同的时刻进行切换，因此，在同一时刻也是单一的控制方式，也就是说，在同一时刻可控的实施力控制或位置控制，而在不同的时刻(可以定义为当前时刻和下一时刻)则根据期望助力需求进行力控制和位置控制的切换。
[0004]具体的，力
‑
位混合助力控制的控制策略为利用位置传感器或者力/力矩传感器的信号作为反馈，对电机驱动的位置输出或者力矩输出进行跟踪，也就是说，对于电机驱动的输出跟踪为单一输出跟踪。而外骨骼的驱动输出需要同时满足力矩输出和位置输出才能够实现实时助力，若只有位置输出，则不柔顺，若只有力矩输出，则不协同，影响助力性能。r/>[0005]现有技术提供的力
‑
位混合助力控制，一般电机驱动的控制输入通常是单一输入(电压输入)，在负载变化的条件下，要想输出同时具有良好的力矩特性和转速特性，混合助力控制难以做到。为了获得良好的力矩特性和转速特性，现有技术提供一种同时对电机定子和转子的电流进行控制的方法，控制方法相对复杂，控制器设计和调试比较麻烦。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种电机驱动的力
‑
功率控制装置、方法及外骨骼系统，解决驱动电机在单一输入的情况下，能够保证同时输出力矩特性和转速特性，以提高外骨骼助力性能以及助力的柔顺性。
[0007]第一方面，为了实现上述目的，本专利技术提供了一种电机驱动的力
‑
功率控制装置，电机驱动的力
‑
功率控制装置应用于外骨骼，外骨骼具有驱动电机和由驱动电机驱动的关节。
[0008]电机驱动的力
‑
功率控制装置包括：
[0009]信息获取单元，信息获取单元用于获取驱动电机当前时刻的输出力矩信号和输出角速度信号；
[0010]通信单元，通信单元用于接收驱动电机的输出力矩信号和输出角速度信号；
[0011]处理单元，处理单元配置有驱动电机的第一期望力矩曲线和第一期望角速度曲
线；处理单元在接收到驱动电机的当前时刻的输出力矩信号和输出角速度信号的情况下，确定驱动电机下一时刻应当输出的第一期望力矩M
e1
以及第一期望角速度ω
e1
；处理单元内还配置有驱动电机的预设力矩M
p
和预设角速度ω
p
；当M
e1
<M
p
或ω
e1
<ω
p
时，处理单元生成力控制指令；当M
e1
≥M
p
且ω
e1
≥ω
p
时，处理单元生成功率控制指令；
[0012]通信单元还用于在接收到来自处理单元发送的力控制指令或功率控制指令的情况下，将力控制指令或功率控制指令发送至外骨骼；驱动电机在力控制指令的控制下，输出第一期望力矩M
e1
；驱动电机在功率控制指令的控制下，输出期望功率P
e
，期望功率P
e
由第一期望力矩M
e1
和第一期望角速度ω
e1
确定。
[0013]将本专利技术提供的电机驱动的力
‑
功率控制装置应用于外骨骼时，控制装置可控的输出力控制指令和功率控制指令。具体的，在判断驱动电机下一时刻应当输出的第一期望力矩M
e1
以及第一期望角速度ω
e1
的情况下，根据判断结果切换力控制指令和功率控制指令。以使得驱动电机在力控制指令的控制下，仅仅输出第一期望力矩M
e1
，且此时第一期望力矩M
e1
可以满足关节所需要的第二期望力矩M
e2
的要求。另外，当关节在下一时刻既需要满足第二期望力矩M
e2
以及第二期望角速度ω
e1
的要求时，控制装置切换至功率控制指令，以使得驱动电机同时输出第一期望力矩M
e1
和第一期望角速度ω
e1
。
[0014]从以上应用过程可知，当负载(关节)仅需要力矩特性时，在力控制指令的控制下，驱动电机仅输出满足负载需要求的第一期望力矩M
e1
。当负载既需要力矩特性，又需要转速特性(需要解释的是，转速特性对应关节下一时刻的期望位姿)时，在功率控制指令的控制下，驱动电机输出满足负载需要的第一期望力矩M
e1
和第一期望角速度ω
e1
。也就是说，在负载变化的情况下，驱动电机可以同时输出期望力矩和期望角速度，而无需在不同的时刻进行期望力矩和期望角速度的切换，基于此，满足柔顺助力以及助力性能的情况下，还具有控制装置设计、调试以及应用简单的优点。
[0015]具体的，由外骨骼、信息获取单元、通信单元和处理单元形成闭环控制。具体的，外骨骼所包括的关节在运动过程中，信息获取单元可以实时获取驱动电机在当前时刻的输出力矩信号和输出角速度信号，并将输出力矩信号和输出角速度信号发送至通信单元。通信单元进一步的将输出力矩信号和输出角速度信号发送至处理单元。处理单元内配置有驱动电机的第一期望力矩曲线和第一期望角速度曲线。基于此，可以根据驱动当前时刻的输出力矩信号在期望力矩曲线上确定下一时刻驱动电机的第一期望力矩M
e1
，根据驱动电机当前时刻的输出角速度信号在第一期望角速度曲线上确定下一时刻驱动电机的第一期望角速度ω
e1
。进一步的，将第一期望力矩M
e1
与预设力矩M
p
比较，当Me1<Mp或ωe1<ω
p
时，处理单元生成力控制指令。同时，力控制指令通过通信单元发送至外骨骼所包括的驱动电机。换言之，驱动电机在力控制指令的控制下，仅输出第一期望力矩M
e1
。此时，关节获得第二期望力矩M
e2
，以实现对关节有效助力的目的。至此，完成了一个周期的闭环控制。而当Me1≥M
p
且ω本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电机驱动的力
‑
功率控制装置，其特征在于，所述电机驱动的力
‑
功率控制装置应用于外骨骼，所述外骨骼具有驱动电机和由所述驱动电机驱动的关节；所述电机驱动的力
‑
功率控制装置包括：信息获取单元，所述信息获取单元用于获取所述驱动电机当前时刻的输出力矩信号和输出角速度信号；通信单元，所述通信单元用于接收所述驱动电机的输出力矩信号和输出角速度信号；处理单元，所述处理单元配置有所述驱动电机的第一期望力矩曲线和第一期望角速度曲线；所述处理单元在接收到所述驱动电机的当前时刻的输出力矩信号和输出角速度信号的情况下，确定所述驱动电机下一时刻应当输出的第一期望力矩M
e1
以及第一期望角速度ω
e1
；所述处理单元内还配置有所述驱动电机的预设力矩M
p
和预设角速度ω
p
；当M
e1
<M
p
或ω
e1
<ω
p
时，所述处理单元生成力控制指令；当M
e1
≥M
p
且ω
e1
≥ω
p
时，所述处理单元生成功率控制指令；所述通信单元还用于在接收到来自所述处理单元发送的力控制指令或功率控制指令的情况下，将所述力控制指令或功率控制指令发送至所述驱动电机；所述驱动电机在所述力控制指令的控制下，输出第一期望力矩M
e1
；所述驱动电机在所述功率控制指令的控制下，输出期望功率P
e
，所述期望功率P
e
由所述第一期望力矩M
e1
和第一期望角速度ω
e1
确定。2.根据权利要求1所述的电机驱动的力
‑
功率控制装置，其特征在于，所述信息获取单元包括力传感器和角速度传感器；所述力传感器用于获取所述驱动电机当前时刻的输出力矩信号；所述角速度传感器用于获取所述驱动电机当前时刻的输出角速度信号。3.根据权利要求1所述的电机驱动的力
‑
功率控制装置，其特征在于，所述处理单元还配置有运动位置
‑
速度模型，基于所述运动位置
‑
速度模型确定所述关节的第二期望力矩曲线和第二期望角速度曲线；基于所述第二期望力矩曲线确定所述驱动电机的第一期望力矩曲线；基于所述第二期望角速度曲线确定所述驱动电机的第一期望角速度曲线。4.根据权利要求3所述的电机驱动的力
‑
功率控制装置，其特征在于，在同一时刻所述关节的第二期望力矩Me2和第二期望角速度ωe2与所述驱动电机的第一期望力矩Me1和第一期望角速度ωe1之间存在线性关系，具体如下：Me2*ωe2＝k*Me1*ωe1其中，k为放大系数，k大于或等于1。5.根据权利要求1所述的电机驱动的力
‑
功率控制装置，其特征在于，预设力矩M
p
≤0.3牛
·
米，预设角速度ω
p
≤0.02弧度/秒。6.一种电机驱动的力
‑
功率控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于权利要求1至5任一项所述的控制装置；...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋定安，徐德浩，李阳阳，胡静，强利刚，李林，张勇，
申请(专利权)人：贵州航天控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：