本公开是关于一种基于三维平衡状态流形引导的动态平衡恢复控制方法、装置、电子设备以及存储介质。该方法包括：基于外骨骼的传感器采集传感器信号计算多阶导数，生成系统质心运动状态；基于质心位置、质心速度、倒立摆摆长拟合三维平衡状态流形的前向、后向失稳边界函数；计算与所述最优回归运动状态点对应的目标瞬态捕捉点；基于瞬态捕捉点、质心状态点、压力中心点间的预设平衡约束关系，计算作用于质心位置处的水平动态平衡修正力；根据步态相位以及平衡调节作用分配到述外骨骼的各条腿的各个关节的动态平衡修正力，生成映射到各关节处的平衡恢复修正力矩。本公开有助于提高下肢外骨骼对期望目标平衡状态的检测和拟人化动态平衡调节的能力。平衡调节的能力。平衡调节的能力。
【技术实现步骤摘要】
一种基于三维平衡状态流形引导的动态平衡恢复控制方法
[0001]本公开涉及机器人
，具体而言，涉及一种基于三维平衡状态流形引导的动态平衡恢复控制方法、装置、电子设备以及计算机可读存储介质。
技术介绍
[0002]随着外骨骼机器人技术的快速发展，下肢外骨骼已广泛应用于医疗康复、负重携行、运动助行等各行方面。在穿戴者
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外骨骼人机耦合系统的运动过程中，当外力作用、坑地踩空、障碍牵绊外界干扰作用时系统易产生失稳甚至是摔倒的情况，此时外骨骼需要及时检测人机系统的动态平衡状态是否被打破，并对关节施加合适的力矩使得穿戴者能够快速恢复到原来的平衡状态，并且不同穿戴者的身高、体重、关节力量存在差异，需要在所施加的力矩作用下关节的运动趋势与穿戴者的目标运动意图能够保持一致。目前人机耦合系统的平衡状态评估多采用质心倒立摆模型，但是该模型的平衡判断依据多为矢状面内水平方向上的等效质心或瞬态捕捉点不超出足底边界或动态边界，然而当穿戴者的踝、髋、膝关节发生弯曲时，在不同的位姿下质心会产生水平
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竖直方向上的位置变化，导致倒立摆模型的等效摆长发生变化，采用定摆长的倒立摆模型对动态平衡域进行计算和评估，易造成平衡控制策略的介入机制与穿戴者真实失稳调节的意图相悖。此外，目标平衡回归点的设置多为倒立摆模型的绝对平衡位置或支撑脚踝关节点，对于不同位姿下的质心运动状态不宜用同一个目标进行平衡调节，并且该目标平衡回归点应该设置为一个随质心位姿、质心状态、运动状态、支持相位相关联的动态区域。并且在对不同的腿进行修正力矩施加时，应该考虑当前腿的目标运动状态，以及是否落回原支撑域或者重新迈步到下一支撑域，进而对摆动腿和支撑腿的力矩调节进行独立分析和参数设置，从而满足非节律性运动规律下的动态平衡恢复调节。
[0003]因此，需要一种或多种方法解决上述问题。
[0004]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
[0005]本公开的目的在于提供一种基于三维平衡状态流形引导的动态平衡恢复控制方法、装置、电子设备以及计算机可读存储介质，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。
[0006]根据本公开的一个方面，提供一种基于三维平衡状态流形引导的动态平衡恢复控制方法，包括：
[0007]基于外骨骼的角度传感器、姿态传感器、压力传感器采集传感器信号，计算所述传感器信号的多阶导数，生成当前控制周期下矢状面内的系统质心运动状态；
[0008]根据人机系统预设的失稳状态范围，基于质心位置、质心速度、倒立摆摆长拟合三维平衡状态流形的前向失稳边界函数和后向失稳边界函数；
[0009]基于当前失稳状态点所处的动态失稳区域，搜索与所述动态失稳区域相对应的最优回归运动状态点，并计算与所述最优回归运动状态点对应的目标瞬态捕捉点；
[0010]基于瞬态捕捉点、质心状态点、压力中心点间的预设平衡约束关系，计算作用于质心位置处的水平动态平衡修正力；
[0011]根据预设的所述外骨骼的各条腿所处的步态相位以及发挥的平衡调节作用，基于所述水平动态平衡修正力计算分配到述外骨骼的各条腿的各个关节的动态平衡修正力，生成映射到各关节处的平衡恢复修正力矩。
[0012]在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
[0013]基于外骨骼的角度传感器采集关节角度传感器信号；
[0014]基于外骨骼的姿态传感器采集线加速度传感器信号、姿态角度传感器信号；
[0015]基于外骨骼的压力传感器采集传感器信号采集接触力信传感器信号。
[0016]在本公开的一种示例性实施例中，所述方法中根据人机系统预设的失稳状态范围，基于质心位置、质心速度、倒立摆摆长拟合三维平衡状态流形的约束条件包括：
[0017]平衡恢复过程中倒立摆近似做变加速回转运动，下一个离散化时间节点的倒立摆角加速度由施加的踝关节力矩决定，角速度和角度的约束条件；
[0018]平衡恢复过程中施加的力矩与踝关节力矩范围的约束条件；
[0019]倒立摆模型与水平面的约束条件；
[0020]零力矩点与有效支撑域的约束条件；
[0021]倒立摆的目标平衡状态的微小邻域的约束条件。
[0022]在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
[0023]基于当前失稳状态点所处的动态失稳区域及质心运动状态点，计算质心运动状态点与最优回归运动状态点间的欧几里得范数的平方；
[0024]对所述欧几里得范数的平方分别进行偏导数求解；
[0025]基于偏导数求解的最小解，生成所述动态失稳区域相对应的最优回归运动状态点。
[0026]在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
[0027]基于广义函数及瞬态捕捉点、质心状态点、压力中心点间的预设平衡约束关系，生成瞬态捕捉点的实时调节速度的联立方程；
[0028]基于所述联立方程生成系统平衡时的目标压力中心点函数表达式；
[0029]根据所述目标压力中心点函数表达式，基于惯性力与质心平衡时所受的惯性力的偏差计算作用于质心位置处的水平动态平衡修正力。
[0030]在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：
[0031]根据预设的所述外骨骼的各条腿所处的步态相位以及发挥的平衡调节作用，基于所述水平动态平衡修正力计算分配到述外骨骼的各条腿的各个关节的动态平衡修正力；
[0032]根据各个关节的动态平衡修正力，基于预设分配系数和方向系数，生成映射到各关节处的平衡恢复修正力矩。
[0033]在本公开的一个方面，提供一种基于三维平衡状态流形引导的动态平衡恢复控制装置，包括：
[0034]系统质心运动状态计算模块，用于基于外骨骼的角度传感器、姿态传感器、压力传
感器采集传感器信号，计算所述传感器信号的多阶导数，生成当前控制周期下矢状面内的系统质心运动状态；
[0035]失稳边界函数生成模块，用于根据人机系统预设的失稳状态范围，基于质心位置、质心速度、倒立摆摆长拟合三维平衡状态流形的前向失稳边界函数和后向失稳边界函数；
[0036]目标瞬态捕捉点计算模块，用于基于当前失稳状态点所处的动态失稳区域，搜索与所述动态失稳区域相对应的最优回归运动状态点，并计算与所述最优回归运动状态点对应的目标瞬态捕捉点；
[0037]水平动态平衡修正力计算模块，用于基于瞬态捕捉点、质心状态点、压力中心点间的预设平衡约束关系，计算作用于质心位置处的水平动态平衡修正力；
[0038]平衡恢复修正力矩生成模块，用于根据预设的所述外骨骼的各条腿所处的步态相位以及发挥的平衡调节作用，基于所述水平动态平衡修正力计算分配到述外骨骼的各条腿的各个关节的动态平衡修正力，生成映射到各关节处的平衡恢复修正力矩。
[0039]在本公开本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于三维平衡状态流形引导的动态平衡恢复控制方法，其特征在于，所述方法包括：基于外骨骼的角度传感器、姿态传感器、压力传感器采集传感器信号，计算所述传感器信号的多阶导数，生成当前控制周期下矢状面内的系统质心运动状态；根据人机系统预设的失稳状态范围，基于质心位置、质心速度、倒立摆摆长拟合三维平衡状态流形的前向失稳边界函数和后向失稳边界函数；基于当前失稳状态点所处的动态失稳区域，搜索与所述动态失稳区域相对应的最优回归运动状态点，并计算与所述最优回归运动状态点对应的目标瞬态捕捉点；基于瞬态捕捉点、质心状态点、压力中心点间的预设平衡约束关系，计算作用于质心位置处的水平动态平衡修正力；根据预设的所述外骨骼的各条腿所处的步态相位以及发挥的平衡调节作用，基于所述水平动态平衡修正力计算分配到述外骨骼的各条腿的各个关节的动态平衡修正力，生成映射到各关节处的平衡恢复修正力矩。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于外骨骼的角度传感器采集关节角度传感器信号；基于外骨骼的姿态传感器采集线加速度传感器信号、姿态角度传感器信号；基于外骨骼的压力传感器采集传感器信号采集接触力信传感器信号。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中根据人机系统预设的失稳状态范围，基于质心位置、质心速度、倒立摆摆长拟合三维平衡状态流形的约束条件包括：平衡恢复过程中倒立摆近似做变加速回转运动，下一个离散化时间节点的倒立摆角加速度由施加的踝关节力矩决定，角速度和角度的约束条件；平衡恢复过程中施加的力矩与踝关节力矩范围的约束条件；倒立摆模型与水平面的约束条件；零力矩点与有效支撑域的约束条件；倒立摆的目标平衡状态的微小邻域的约束条件。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于当前失稳状态点所处的动态失稳区域及质心运动状态点，计算质心运动状态点与最优回归运动状态点间的欧几里得范数的平方；对所述欧几里得范数的平方分别进行偏导数求解；基于偏导数求解的最小解，生成所述动态失稳区域相对应的最优回归运动状态点。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于广义函数及瞬态捕捉...
【专利技术属性】
技术研发人员：滑宇翔，吴庆勋，张利剑，刘昊，
申请(专利权)人：北京机械设备研究所，
类型：发明
国别省市：
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