一种基于下肢外骨骼机器人的按需辅助控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于下肢外骨骼机器人的按需辅助控制方法，属于机器人控制领域，具体为：首先，针对机器人的单个关节角度传感器，测量出机器人的运动角度，得到机器人的实际姿态；然后，对机器人的实际姿态相对于训练任务中设置的期望姿态轨迹的最近姿态点求解，并建立角速度场，实现机器人实际姿态对期望姿态的轮廓跟踪；同时，在患者肢体安装惯性测量单元，根据人机的实际姿态之间的偏差，建立力矩场，实现人体实际姿态对机器人实际姿态的位置跟踪；最后，设计基于角速度场

【技术实现步骤摘要】
orthogonal group)，其拓扑结构，最近的姿态点、切向和法向等描述和在欧氏空间中的描述都有很大的不同。在欧氏空间建立的速度场，那么在SO(3)上建立的就是角速度场。

技术实现思路

[0010]针对下肢外骨骼机器人步态按需辅助存在的问题，本专利技术提供了一种基于下肢外骨骼机器人的按需辅助控制方法，首先基于机器人的关节角度传感器，测量得到机器人的实际姿态，然后基于康复训练任务中的期望姿态，进行了机器人的实际姿态相对于期望姿态轨迹的最近姿态点求解，并以此为基础建立了角速度场，实现机器人实际姿态对期望姿态的轮廓跟踪；然后在人体肢体安装惯性测量单元，实时检测人体的肢体的姿态，根据人体的实际姿态和机器人的实际姿态之间的偏差，建立力矩场，实现人体实际姿态对机器人实际姿态的位置跟踪；最后根据角速度场
‑
力矩场的多场
‑
双环的控制构架，设计按需辅助控制器，实现按需辅助。
[0011]所述的基于下肢外骨骼机器人的按需辅助控制方法，具体步骤如下：
[0012]步骤一、针对机器人的单个关节角度传感器，测量出机器人的运动角度，得到机器人的实际姿态。
[0013]针对三自由度的关节，姿态变换矩阵为：
[0014]R
a
＝R(Y,β)R(X,α)R(Z,γ)
[0015]α为关节三自由度的收展角；β为关节三自由度的屈伸角；γ为关节三自由度的内外旋角；
[0016]R
a
∈SO(3)；SO(3)表示旋转群；
[0017]步骤二、对机器人的实际姿态相对于训练任务中设置的期望姿态轨迹的最近姿态点求解，并建立角速度场，实现机器人实际姿态对期望姿态的轮廓跟踪；
[0018]步骤201，设置单个关节的期望姿态矩阵为Q(s)∈SO(3)，并计算实际姿态与期望姿态两者的测地线距离d，定义为
[0019][0020]步骤202，计算最近的姿态点Q
*
；
[0021]具体计算过程为：首先，根据映射Q(s):[0,100]→
SO(3)定义SO(3)上的参数化曲线C；
[0022]对于R
a
∈SO(3)，且通过控制器找到令Φ＝0的解s
*
，Q
s
表示Q对参数s的导数；
[0023]然后，利用s
*
计算得到最近姿态点Q
*
＝Q(s
*
)
[0024]步骤203，计算实际姿态R
a
和最近姿态点Q
*
之间的姿态轮廓误差d
*
：
[0025][0026][0027]θ
*
和分别为姿态轮廓误差矩阵表示的等效旋转对应等效旋转角度和转轴单位向量；
[0028]步骤204，利用姿态轮廓误差d
*
建立角速度场；
[0029]公式为：
[0030]V
d
＝w1V
ac
+w2V
tr
[0031][0032]V
ac
为切向速度；w1为切向速度V
ac
的权重，V
tr
为法向速度；w2为法向速度V
tr
的权重；r是根据姿态轮廓误差d
*
调整两个权值的变量。
[0033]步骤三、在患者肢体安装惯性测量单元，实时监测患者姿态数据；根据患者的实际姿态和机器人的实际姿态之间的偏差，建立力矩场，实现人体实际姿态对机器人实际姿态的位置跟踪；
[0034]首先，在患者的腰部、大腿和小腿分别各随意放置一个惯性测量单元IMU，解算得到人体肢体的姿态为R
h
，计算患者和机器人之间的实际姿态偏差矩阵R
e
；
[0035]记为：
[0036][0037]θ
e
和表示人机实际姿态偏差矩阵表示的等效旋转对应旋转角度和转轴单位向量。
[0038]然后，利用患者和机器人之间的实际姿态偏差矩阵计算姿态偏差d
h
为：
[0039]d
h
＝||log(R
e
)||
[0040]最后，根据姿态偏差d
h
建立力矩场，生成调整力矩，其公式为：
[0041]T
h
＝k1w
h1
E
hac
+k2w
h2
E
htr
[0042][0043]其中k1和k2是控制增益，用来调整输出力矩的幅值；w
h1
和w
h2
分别是切向分量和法向分量的权重；r
h
是根据姿态轮廓误差d
h
来调整两个分量的相对权值的变量；E
hac
为姿态偏差的相对转轴方向垂直分量单位化后的值；E
htr
为姿态偏差的相对转轴方向沿着机器人速度方向分解的单位化后的值；
[0044]步骤四、设计基于角速度场
‑
力矩场的双环控制构架的控制器，输入患者肢体的实际姿态信息，实现对患者肢体姿态的按需辅助控制。
[0045]控制力矩为：
[0046][0047][0048][0049]其中，Θ＝[αβγ]T
是用y
‑
x
‑
z欧拉角表示的姿态；θ4是虚拟飞轮系统的虚拟转角，虚拟飞轮系统和三自由度机器人系统构成增广系统；是增广系统的总能量；为期望增广力矩；和为增广系统的实际冲量和期望冲量，T
M
＝N
T
T
h
，N是机器人的末
端速度ω
e
和之间的转换矩阵，满足
[0050]本专利技术的优点在于：
[0051]1)、一种基于下肢外骨骼机器人的按需辅助控制方法，基于SO(3)的几何特性，解算最近姿态点，从而实现角速度场的建立和姿态的轮廓跟踪控制；
[0052]2)、一种基于下肢外骨骼机器人的按需辅助控制方法，建立了多场
‑
双环控制构架，将测量得到的人体肢体姿态信息反馈给控制系统，最终实现的不是机器人的姿态控制，而是直接实现对人体肢体的姿态控制。
附图说明
[0053]图1为本专利技术以人为中心的控制系统构架原理示意图；
[0054]图2为本专利技术在人体下肢腰部、大腿和小腿放置惯性测量单元的示意图；
[0055]图3为本专利技术一种基于下肢外骨骼机器人的按需辅助控制方法的原理图；
[0056]图4为本专利技术根据映射Q(s)定义SO(3)上的参数化曲线C的示意图；
[0057]图5为本专利技术通过控制器得到最近姿态点的流程图；
[0058]图6为本专利技术建立角速度场的示意图；
[0059]图7为本专利技术利用患者和机器人之间的实际姿态偏差矩阵计算姿态偏差的示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于下肢外骨骼机器人的按需辅助控制方法，其特征在于，具体步骤如下：首先，针对机器人的单个关节角度传感器，测量出机器人的运动角度，得到机器人的实际姿态；然后，对机器人的实际姿态相对于训练任务中设置的期望姿态轨迹的最近姿态点求解，并建立角速度场，实现机器人实际姿态对期望姿态的轮廓跟踪；具体过程为：步骤201，设置单个关节的期望姿态矩阵为Q(s)∈SO(3)，并计算实际姿态与期望姿态两者的测地线距离d，定义为步骤202，计算最近的姿态点Q
*
；具体计算过程为：首先，根据映射Q(s):[0,100]
→
SO(3)定义SO(3)上的参数化曲线C；对于R
a
∈SO(3)，且通过控制器通过控制器找到令Φ＝0的解s
*
，Q
s
表示Q对参数s的导数；然后，利用s
*
计算得到最近姿态点Q
*
＝Q(s
*
)步骤203，计算实际姿态R
a
和最近姿态点Q
*
之间的姿态轮廓误差d
*
：：θ
*
和分别为姿态轮廓误差矩阵表示对应的旋转角度和转轴单位向量；步骤204，利用姿态轮廓误差d
*
建立角速度场；公式为：V
d
＝w1V
ac
+w2V
tr
V
ac
为切向速度；w1为切向速度V
ac
的权重，V
tr
为法向速度；w2为法向速度V
tr
的权重；r是根据姿态轮廓误差d
*
调整两个权值的变量；接着，在患者肢体安装惯性测量单元，实时监测患者姿态数据；根据患者的实际姿态和机器人的实际姿态之间的偏差，建立力矩场，实现人体实际姿态对机器人实际姿态的位置跟踪；最后，设计基于角速度场
‑
力矩场的双环控制构架的控制器，输入患者肢体的实际姿态信息，实现对患者肢体姿态的按需辅助控制。2.如权利要求1所述的一种基于下肢外骨骼机器人的按需辅助控制方法，其特征在于，所述针对三自由度的关节，实际姿态变换矩阵为：R
a
＝R(Y,β)R(X,α)R(Z,γ)α为关节三自由度的收展角；β为关节三自由度的屈伸角；γ为关节三自由度的内外旋角；R

【专利技术属性】
技术研发人员：石狄，李龙，韩一波，李先忠，刘源源，张武翔，丁希仑，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：