一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，包括力感知机构和控制系统模块；所述力感知机构包括力传感模块和储能机构模块，所述力传感模块用于传动及反馈人机交互力信息，所述储能机构模块用于储存弹性势能。所述控制系统模块包括非线性控制框架模块、安全保护策略模块。所述非线性控制框架模块，包括基于储能机构的非线性框架模块、基于力感应机构的自适应PD控制器模块、解耦运动控制器模块，用于控制绳驱动外骨骼的动作，减少非线性带来的控制影响。所述安全保护策略模块，用于检测交互力信息，并切换外骨骼的模式以保护人机安全。式以保护人机安全。式以保护人机安全。

【技术实现步骤摘要】
一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统


[0001]本专利技术涉及绳驱动外骨骼的力感知机构及控制系统
，特别是涉及一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统。

技术介绍

[0002]医疗康复领域中，传统康复训练的效率取决于治疗师的个人经验；当前流行的康复机器人也存在诸如难以穿戴、转移和运输的缺点，乃至成为了患者和心理医生的负担而非助手。因此医疗康复领域急需一个小型、便携、高效且安全的康复机器人。其中，鲍登电缆驱动的上肢外骨骼是一个颇具潜力的解决办法，而且它在轻量低功耗方面具有较大优势。但他缺少一种合适的力感知机构。力信息的采集是上述外骨骼机器人进行康复训练的关键，力信息的有效采集保证了控制的精确度以及用户和机器的安全。
[0003]对于上述鲍登线缆驱动的上肢外骨骼，在力信息采集时有以下要求：(1)该传感器不会受外骨骼或用户动作的干扰，而且不受各关节结构的限制；(2)能够对整个机器人的力信息进行采集；(3)在满足以上两个要求后，采集过程高效而准确。
[0004]以前对人机交互环境中力信息采集的研究可以分为下面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，其特征在于，包括力感知机构和控制系统模块，所述力感知机构包括力传感模块和储能机构模块，所述力传感模块用于传动及反馈人机交互力信息，所述储能机构模块用于储存弹性势能；所述控制系统模块包括非线性控制框架模块和安全保护策略模块，所述非线性控制框架模块包括基于储能机构的非线性框架模块、基于力感知机构的自适应PD控制器模块和解耦运动控制器模块，用于控制驱动绳驱动外骨骼的动作，减少非线性带来的控制影响；所述基于储能机构的非线性框架模块，用于减少绳驱动的单向力特性以及非线性带来的影响；所述基于力感应机构的自适应PD控制器模块，用于补偿肘关节的非线性的驱动效率；所述解耦运动控制器模块，用于解决肘关节以及腕关节的耦合控制规划；所述安全保护策略模块，用于检测交互力信息，并切换外骨骼的模式以保护人机安全。2.根据权利要求1所述的一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，其特征在于：所述力传感模块设置在人体前臂连接件(5)和人体上臂连接件(6)之间，力传感模块包括两个对称设置的力传感器单元，每个力传感器单元包括驱动绳(1)、滑轮组(2)、力传感器(3)，驱动绳(1)、滑轮组(2)、力传感器(3)组成一个定、动滑轮组合，作为力传感模块及外骨骼的驱动源，其中，驱动绳(1)一端与人体前臂连接件(5)通过所述滑轮组(2)连接，另一端与电机连接。3.根据权利要求2所述的一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，其特征在于：以其中一个力传感器单元的驱动绳(1)为例，当以恒定的速度旋转肘关节并有张力时，驱动绳(1)需要提供张力以平衡前臂上的总重力，由于同一条驱动绳(1)的不同部分的张力是相等的，所以得到公式(1)，同时，所述力感知机构通过引入滑轮组(2)，使它不涉及关节的结构形式，不干扰绳驱动装置的耦合动作；f
p
＝(1/3)f
all
＝(1/2)f
fs
ꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，f
p
代表单段驱动绳的拉力，f
all
代表系统总受力，f
fs
代表力传感模块的感知力。4.根据权利要求1所述的一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，其特征在于，所述储能机构模块包括多个拉伸弹簧(4)，且多个拉伸弹簧(4)等分一个圆周，所述储能机构模块的几何关系由公式(2)确定：式中，τ
e
代表储能机构模块产生的反向扭矩，r
e
代表储能机构模块的内径，R
e
代表储能机构模块的外径，θ1‑
a
代表肘关节的转动角度，k
s
代表储能机构模块的弹簧刚度，L
s0
代表储能机构模块的弹簧原始长度。5.根据权利要求1所述的一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，其特征在于：所述基于储能机构的非线性框架模块被设计为公式(3)：式中，J
f
,B
f
,L
f
和u1‑
d
(t)分别是肘关节的转动惯量、阻尼、联动长度和输入扭矩，m
f
是联动质量，g是重力加速度，τ
e
代表储能机构模块产生的反向扭矩，θ1‑
a
代表肘关节的转动角
度，δ
d
是系统扰动的上边界，e1(t)＝θ1‑
a
‑
θ1‑
d
,θ1‑
d
是肘关节的目标角度，为终端函数，sigmoid(s)为饱和函数。6.根据权利要求5所述的一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，其特征在于：为了减少抖动，使用饱和函数，如公式(4)：式中，δ
sats
是边界层厚度，s代表拉氏变换后的表达，c是可调的性能参数，下标a代表实际的属性，f代表整体系统，d无具体指代。7.根据权利要求1所述的一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，其特征在于：所述基于力感应机构的自适应PD控制器模块，观测器的设计如公式(5)所示：δ
v
＝L
um sin(π
‑
θ1‑
θ
u
‑
θ
f
)/(3L
B<...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢龙汉，黄双远，陈彦，黄国威，
申请(专利权)人：力之医疗科技广州有限公司，
类型：发明
国别省市：