一种外骨骼挂杆作业双臂协同控制方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种外骨骼挂杆作业双臂协同控制方法和系统，方法包括获取上肢外骨骼各关节的角度信息和操作终端的力学信息，建立上肢外骨骼连杆模型并确定D

【技术实现步骤摘要】
一种外骨骼挂杆作业双臂协同控制方法和系统


[0001]本专利技术涉及外骨骼机器人
，尤其涉及一种外骨骼挂杆作业双臂协同控制方法和系统。

技术介绍

[0002]外骨骼机器人系统是一种人机协作系统，可增强佩戴者在各种环境中的力量。穿戴式上肢外骨骼在完成挂杆作业时需要同时控制左右肩关节及肘关节的电机来协作控制左右大臂及小臂完成挂杆的动作。因此，上肢外骨骼需要采用双臂协同挂杆的控制策略，提高双臂运动的协调性，增强多关节的协同控制能力，使外骨骼可以更高效、更精确的执行工作任务。现有的外骨骼挂杆作业双臂协同控制方法中，不同关节控制效果的偏差较大，难以提高上肢外骨骼的多臂多关节的运动控制的协同性。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种外骨骼挂杆作业双臂协同控制方法和系统，用于提高上肢外骨骼的多臂多关节的运动控制的协同性。
[0004]有鉴于此，本专利技术第一方面提供了一种外骨骼挂杆作业双臂协同控制方法，包括：
[0005]获取上肢外骨骼各关节的角度信息和操作终端的力学信息；
[0006]建立上肢外骨骼连杆模型并确定D
‑
H参数，根据D
‑
H参数分析双臂操作终端位置随关节角度的变化关系，获得上肢外骨骼的坐标旋转矩阵；
[0007]根据上肢外骨骼的坐标旋转矩阵和上肢外骨骼各关节的角度信息确定上肢外骨骼的雅可比矩阵，根据操作终端的力学信息和上肢外骨骼的雅可比矩阵计算上肢外骨骼各关节所需力矩；
[0008]以上肢外骨骼各关节所需力矩及各关节驱动实际测量力矩为输入，通过补偿控制器优化上肢外骨骼的雅可比矩阵。
[0009]可选地，根据上肢外骨骼的坐标旋转矩阵和上肢外骨骼各关节的角度信息确定上肢外骨骼的雅可比矩阵，根据操作终端的力学信息和上肢外骨骼的雅可比矩阵计算上肢外骨骼各关节所需力矩，包括：
[0010]根据上肢外骨骼的坐标旋转矩阵和上肢外骨骼各关节的角度信息确定上肢外骨骼的雅可比矩阵；
[0011]根据操作终端的力学信息和上肢外骨骼的雅可比矩阵计算上肢外骨骼各关节所需理论力矩；
[0012]以上肢外骨骼各关节所需理论力矩作为PID控制器的输入，通过PID控制器得到上肢外骨骼各关节所需实际力矩。
[0013]可选地，上肢外骨骼各关节所需理论力矩的计算公式为：
[0014]Δτ＝J(θ)
T
ΔF
[0015]ΔF＝F
d
‑
F
h
[0016]T
cal
＝Δτ
[0017]其中，Δτ为误差力矩，T
cal
为上肢外骨骼各关节所需理论力矩，J(θ)
T
为上肢外骨骼的雅可比矩阵J(θ)的转置，ΔF为双臂操作终端的多维力传感器采集到的操作终端受到的作用力与期望力的误差，F
d
为期望力，F
h
为双臂操作终端的多维力传感器采集到的操作终端受到的作用力。
[0018]可选地，上肢外骨骼各关节所需实际力矩的计算公式为：
[0019][0020]其中，τ为上肢外骨骼各关节所需实际力矩，k
p
为PID控制器的比例系数，k
i
为PID控制器的积分系数，k
d
为PID控制器的微分系数，为T
cal
的导数。
[0021]可选地，以上肢外骨骼各关节所需力矩及各关节驱动实际测量力矩为输入，通过补偿控制器优化上肢外骨骼的雅可比矩阵，包括：
[0022]将上肢外骨骼各关节所需力矩及各关节驱动实际测量力矩输入补偿控制器；
[0023]补偿控制器根据上肢外骨骼各关节所需力矩计算平均所需力矩，平均所需力矩的计算公式为：
[0024][0025]其中，T
cal_mean
为平均所需力矩，n为关节数量，T
cal,i
为第i个关节的所需理论力矩；
[0026]补偿控制器根据上肢外骨骼各关节驱动实际测量力矩计算平均测量力矩，平均测量力矩的计算公式为：
[0027][0028]其中，T
me_mean
为平均测量力矩，ΔT
me,i
为第i个关节的实际测量力矩；
[0029]补偿控制器根据平均所需力矩和平均测量力矩计算各关节需要补偿的力矩，各关节需要补偿的力矩的计算公式为：
[0030][0031]其中，T
com,i
为第i个关节需要补偿的力矩；
[0032]根据各关节需要补偿的力矩建立阻抗模型，得到各关节需要补偿的角度，阻抗模型为：
[0033][0034]其中，M为期望的惯量矩阵，B为期望的阻尼矩阵，K为期望的刚度矩阵，为关节处角加速度与期望的角加速度偏差，为关节处的角速度与期望的角速度偏差，e为关节处的角度与期望的角度偏差；
[0035]根据各关节需要补偿的角度优化上肢外骨骼的雅可比矩阵，优化公式为：
[0036]J(θ)＝J(θ+e)。
[0037]本专利技术第二方面提供了一种外骨骼挂杆作业双臂协同控制系统，包括：
[0038]信息获取模块，用于获取上肢外骨骼各关节的角度信息和操作终端的力学信息；
[0039]旋转矩阵获取模块，用于建立上肢外骨骼连杆模型并确定D
‑
H参数，根据D
‑
H参数分析双臂操作终端位置随关节角度的变化关系，获得上肢外骨骼的坐标旋转矩阵；
[0040]关节所需力矩计算模块，用于根据上肢外骨骼的坐标旋转矩阵和上肢外骨骼各关节的角度信息确定上肢外骨骼的雅可比矩阵，根据操作终端的力学信息和上肢外骨骼的雅可比矩阵计算上肢外骨骼各关节所需力矩；
[0041]优化模块，用于以上肢外骨骼各关节所需力矩及各关节驱动实际测量力矩为输入，通过补偿控制器优化上肢外骨骼的雅可比矩阵。
[0042]可选地，关节所需力矩计算模块具体用于：
[0043]根据上肢外骨骼的坐标旋转矩阵和上肢外骨骼各关节的角度信息确定上肢外骨骼的雅可比矩阵；
[0044]根据操作终端的力学信息和上肢外骨骼的雅可比矩阵计算上肢外骨骼各关节所需理论力矩；
[0045]以上肢外骨骼各关节所需理论力矩作为PID控制器的输入，通过PID控制器得到上肢外骨骼各关节所需实际力矩。
[0046]可选地，上肢外骨骼各关节所需理论力矩的计算公式为：
[0047]ΔF＝F
d
‑
F
h
[0048]T
cal
＝Δτ
[0049]其中，Δτ为误差力矩，T
cal
为上肢外骨骼各关节所需理论力矩，J(θ)
T
为上肢外骨骼的雅可比矩阵J(θ)的转置，ΔF为双臂操作终端的多维力传感器采集到的操作终端受到的作用力与期望力的误差，F
d
为期望力，F
h
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种外骨骼挂杆作业双臂协同控制方法，其特征在于，包括：获取上肢外骨骼各关节的角度信息和操作终端的力学信息；建立上肢外骨骼连杆模型并确定D
‑
H参数，根据D
‑
H参数分析双臂操作终端位置随关节角度的变化关系，获得上肢外骨骼的坐标旋转矩阵；根据上肢外骨骼的坐标旋转矩阵和上肢外骨骼各关节的角度信息确定上肢外骨骼的雅可比矩阵，根据操作终端的力学信息和上肢外骨骼的雅可比矩阵计算上肢外骨骼各关节所需力矩；以上肢外骨骼各关节所需力矩及各关节驱动实际测量力矩为输入，通过补偿控制器优化上肢外骨骼的雅可比矩阵。2.根据权利要求1所述的外骨骼挂杆作业双臂协同控制方法，其特征在于，根据上肢外骨骼的坐标旋转矩阵和上肢外骨骼各关节的角度信息确定上肢外骨骼的雅可比矩阵，根据操作终端的力学信息和上肢外骨骼的雅可比矩阵计算上肢外骨骼各关节所需力矩，包括：根据上肢外骨骼的坐标旋转矩阵和上肢外骨骼各关节的角度信息确定上肢外骨骼的雅可比矩阵；根据操作终端的力学信息和上肢外骨骼的雅可比矩阵计算上肢外骨骼各关节所需理论力矩；以上肢外骨骼各关节所需理论力矩作为PID控制器的输入，通过PID控制器得到上肢外骨骼各关节所需实际力矩。3.根据权利要求2所述的外骨骼挂杆作业双臂协同控制方法，其特征在于，上肢外骨骼各关节所需理论力矩的计算公式为：Δτ＝J(θ)
T
ΔFΔF＝F
d
‑
F
h
T
cal
＝Δτ其中，Δτ为误差力矩，T
cal
为上肢外骨骼各关节所需理论力矩，J(θ)
T
为上肢外骨骼的雅可比矩阵J(θ)的转置，ΔF为双臂操作终端的多维力传感器采集到的操作终端受到的作用力与期望力的误差，F
d
为期望力，F
h
为双臂操作终端的多维力传感器采集到的操作终端受到的作用力。4.根据权利要求3所述的外骨骼挂杆作业双臂协同控制方法，其特征在于，上肢外骨骼各关节所需实际力矩的计算公式为：其中，τ为上肢外骨骼各关节所需实际力矩，k
p
为PID控制器的比例系数，k
i
为PID控制器的积分系数，k
d
为PID控制器的微分系数，为T
cal
的导数。5.根据权利要求4所述的外骨骼挂杆作业双臂协同控制方法，其特征在于，以上肢外骨骼各关节所需力矩及各关节驱动实际测量力矩为输入，通过补偿控制器优化上肢外骨骼的雅可比矩阵，包括：将上肢外骨骼各关节所需力矩及各关节驱动实际测量力矩输入补偿控制器；补偿控制器根据上肢外骨骼各关节所需力矩计算平均所需力矩，平均所需力矩的计算公式为：
其中，T
cal_mean
为平均所需力矩，n为关节数量，T
cal,i
为第i个关节的所需理论力矩；补偿控制器根据上肢外骨骼各关节驱动实际测量力矩计算平均测量力矩，平均测量力矩的计算公式为：其中，T
me_mean
为平均测量力矩，ΔT
me,i
为第i个关节的实际测量力矩；补偿控制器根据平均所需力矩和平均测量力矩计算各关节需要补偿的力矩，各关节需要补偿的力矩的计算公式为：其中，T
com,i
为第i个关节需要补偿的力矩；根据各关节需要补偿的力矩建立阻抗模型，得到各关节需要补偿的角度，阻抗模型为：其中，M为期望的惯量矩阵，B为期望的阻尼矩阵，K为期望的刚度矩阵，为关节处角加速度与期望的角加速度偏差，为关节处的角速度与期望的角速度偏差，e为关节处的角度与期望的角度偏差；...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玺，赖颖东，方振，陈劲，张经纬，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司，
类型：发明
国别省市：