一种单腿液压助力外骨骼控制方法及其控制装置与外骨骼制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种单腿液压助力外骨骼控制方法及其控制装置与外骨骼

【技术实现步骤摘要】
一种单腿液压助力外骨骼控制方法及其控制装置与外骨骼


[0001]本专利技术涉及外骨骼领域中的一种外骨骼控制方法及其控制装置，尤其涉及一种单腿液压助力外骨骼控制方法
、
用于实现所述单腿液压助力外骨骼控制方法的单腿液压助力外骨骼控制装置
、
采用所述单腿液压助力外骨骼控制方法的外骨骼
。

技术介绍

[0002]可穿戴下肢助力外骨骼是一种增强穿戴者负重能力的人机一体化装置，可用于应急救援
、
国防军工等领域
。
液压驱动器由于具有输出力和力矩大
、
功率重量比高等优势，因而非常适用于下肢助力外骨骼这种的紧凑重型系统
。
在助力外骨骼系统中，通过减小人机作用力可以实现外骨骼精确跟踪人的运动，从而使穿戴者实现轻松负重，因此高精度人机作用力控制算法设计是实现外骨骼助力功能的重要保障
。
另一方面，下肢助力外骨骼的能源供应系统必须随身携带，能量源非常有限
。
为保证较长的工作时间，系统能效也不可忽视
。
如何同时实现下肢液压助力外骨骼高精度与高能效力控制是提高外骨骼性能的关键技术
。
[0003]在实现液压外骨骼高精度高能效力控制时，需要解决两方面的问题
。
首先是液压外骨骼高精度高能效电液系统设计，其次是基于选定的电液系统设计相应的外骨骼高精度高能效力控制算法
。
然而传统的下肢液压助力外骨骼电液系统常采用阀控系统方案，由于阀控系统存在节流损失
、
溢流损失等，导致传统的液压外骨骼能效水平低
。
另外，现有液压助力外骨骼控制方法重点解决液压外骨骼系统固有的强耦合高阶非线性，建模不确定性的影响，仅能实现高精度力控制，并没有考虑能耗问题，导致系统的能耗较大
。

技术实现思路

[0004]为了解决现有单腿液压助力外骨骼的高阶非线性
、
模型不确定性
、
能耗大的技术问题，本专利技术提供一种单腿液压助力外骨骼控制方法
、
用于实现所述单腿液压助力外骨骼控制方法的单腿液压助力外骨骼控制装置
、
采用所述单腿液压助力外骨骼控制方法的外骨骼
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：一种单腿液压助力外骨骼控制方法，其用于控制单腿液压助力外骨骼的行动；所述控制方法包括以下步骤：
[0006]将分别应用于所述外骨骼的踝关节
、
膝关节和髋关节的三个液压系统均采用并联式泵阀协调电液系统；每个并联式泵阀协调电液系统包括并联式协调的泵控部分和阀控部分；所述泵控部分包括一个可变泵控油源
PS1
和决定可变泵控油源
PS1
出口流量方向的两个二通开关阀
SV1、SV2
；所述阀控部分包括四个二通电液伺服阀
PV1、PV2、PV3
与
PV4
和一个液压油源
PS2
，电液伺服阀
PV1
和
PV2
控制液压油源
PS2
流向相应液压缸两腔的流量，电液伺服阀
PV3
和
PV4
控制相应液压缸两腔流向油箱的流量；
[0007]针对单腿液压助力外骨骼各关节的并联式泵阀协调电液系统，根据各关节的参考转动角度参考转动角速度参考转动角加速度液压缸实际驱动力
F
L
、
实际转动角
度
q、
实际转动角速度得到各关节的有杆腔期望流量
α
2p
＝
[
α
2p1 α
2p2 α
2p3
]T
和无杆腔期望流量
Q
1m
＝
[Q
1m1 Q
1m2 Q
1m3
]T
；其中，用
i
表示三个关节的序号，则第
i
个关节的有杆腔期望流量为
α
2pi
，第
i
个关节的无杆腔期望流量为
Q
1mi
；
[0008]根据
α
2p
、Q
1m
计算各关节对应的
PS1、PV1、PV2、PV3、PV4
的控制电压，以进行各关节的泵阀流量分配
。
[0009]本专利技术的单腿液压助力外骨骼控制方法采用的动力系统为具有体积小
、
质量轻
、
布局灵活
、
机构紧凑，而且能够输出较大力或扭矩
、
动作响应灵敏，易于控制等特点的液压系统
。
液压系统采用并联式泵阀协调电液系统方案，让泵控部分提供主要流量，阀控部分提供微小流量，提升了下肢助力外骨骼电液系统的能效水平
。
本专利技术的单腿液压助力外骨骼控制方法采用了力控制方法，利用自适应鲁棒控制算法
(ARC)
来设计上下层控制器，有效克服了单腿液压助力外骨骼的高阶非线性
、
模型不确定性的影响
。
下层控制器中液压缸无杆腔采用位置跟踪控制，液压缸有杆腔采用压力跟踪控制，解决了现有的外骨骼的控制方法能耗大的技术问题，不仅实现了液压助力外骨骼对人运动进行良好的跟随和助力，还降低了系统能耗，实现了更长的续航时间，具有较强的应用价值
。
本专利技术有效克服了单腿液压助力外骨骼的多关节强耦合
、
液压驱动器的高阶非线性和模型不确定性的影响，不仅实现了液压助力外骨骼对人运动的良好跟随和助力，还降低了系统能耗，实现了更长的续航时间
。
[0010]本专利技术还提供一种单腿液压助力外骨骼，其采用了上述任意单腿液压助力外骨骼控制方法
。
[0011]本专利技术还提供一种单腿液压助力外骨骼控制装置，其采用了上述任意单腿液压助力外骨骼控制方法，所述控制装置包括：
[0012]三个并联式泵阀协调电液系统，其分别应用于所述外骨骼的踝关节
、
膝关节和髋关节，每个并联式泵阀协调电液系统包括并联式协调的泵控部分和阀控部分；所述泵控部分包括一个可变泵控油源
PS1
和决定可变泵控油源
PS1
出口流量方向的两个二通开关阀
SV1、SV2
；所述阀控部分包括四个二通电液伺服阀
PV1、PV2、PV3
与
PV4
和一个液压油源
PS2
，电液伺服阀
PV1
和
PV2
控制液压油源
PS2
流向相应液压缸两腔的流量，电液伺服阀
PV3
和
PV4
控制相应液压缸两腔流向油箱的流量；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种单腿液压助力外骨骼控制方法，其用于控制单腿液压助力外骨骼的行动；其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：将分别应用于所述外骨骼的踝关节
、
膝关节和髋关节的三个液压系统均采用并联式泵阀协调电液系统；每个并联式泵阀协调电液系统包括并联式协调的泵控部分和阀控部分；所述泵控部分包括一个可变泵控油源
PS1
和决定可变泵控油源
PS1
出口流量方向的两个二通开关阀
SV1、SV2
；所述阀控部分包括四个二通电液伺服阀
PV1、PV2、PV3
与
PV4
和一个液压油源
PS2
，电液伺服阀
PV1
和
PV2
控制液压油源
PS2
流向相应液压缸两腔的流量，电液伺服阀
PV3
和
PV4
控制相应液压缸两腔流向油箱的流量；针对单腿液压助力外骨骼各关节的并联式泵阀协调电液系统，根据各关节的参考转动角度参考转动角速度参考转动角加速度液压缸实际驱动力
F
L
、
实际转动角度
q、
实际转动角速度得到各关节的有杆腔期望流量
α
2p
＝
[
α
2p1
α
2p2
α
2p3
]
T
和无杆腔期望流量
Q
1m
＝
[Q
1m1
Q
1m2
Q
1m3
]
T
；其中，用
i
表示三个关节的序号，则第
i
个关节的有杆腔期望流量为
α
2pi
，第
i
个关节的无杆腔期望流量为
Q
1mi
；根据
α
2p
、Q
1m
计算各关节对应的
PS1、PV1、PV2、PV3、PV4
的控制电压，以进行各关节的泵阀流量分配
。2.
如权利要求1所述的单腿液压助力外骨骼控制方法，其特征在于，单腿液压助力外骨骼各关节的无杆腔期望流量
Q
1m
＝
[Q
1m1
Q
1m2
Q
1m3
]
T
的计算方法包括以下步骤：根据
q、
α
2p
、F
L
设计无杆腔位置跟踪控制器，所述无杆腔位置跟踪控制器为
Q
1m
＝
Q
1ma
+Q
1ms
+Q
1msn
，由此得到单腿液压助力外骨骼各关节的无杆腔期望流量
Q
1m
，式中，
Q
1ma
为
Q
1m
的自适应模型补偿项，
Q
1ms
为
Q
1m
的线性鲁棒反馈项，
Q
1msn
为
Q
1m
的非线性鲁棒反馈项
。3.
如权利要求1所述的单腿液压助力外骨骼控制方法，其特征在于，单腿液压助力外骨骼各关节的有杆腔期望流量
α
2p
＝
[
α
2p1 α
2p2 α
2p3
]
T
的计算方法包括以下步骤：根据
q、
α
2p
、F
L
设计无杆腔位置跟踪控制器，所述无杆腔位置跟踪控制器为
F
Ld
＝
F
Lda
+F
Lds
+F
Ldsn
，由此得到单腿液压助力外骨骼各关节的液压缸期望驱动力
F
Ld
；式中，
F
Lda
为
F
Ld
的自适应模型补偿项，
F
Lds
为
F
Ld
的线性鲁棒反馈项，
F
Ldsn
为
F
Ld
的非线性鲁棒反馈项；根据
F
Ld
＝
[F
Ld1
F
Ld2
F
Ld3
]
T
设计各关节的有杆腔压力规划器，考虑到良好的控制设计能够保证系统误差在较小的范围内，自适应模型补偿项
F
Lda
能够基本表征液压缸期望驱动力
F
Ld
的大小数值，此外，为了获得更为连续光滑的有杆腔期望压力，以避免噪声的负面影响，采用运动参考轨迹代替状态量的测量信号，即液压缸期望补偿驱动力
F
Ldad
＝
[F
Ldad1 F
Ldad2 F
Ldad3
]
T
，第
i
个关节的液压缸期望补偿驱动力为
F
Ldadi
；针对第
i
个关节处的
F
Ldadi
，所述第
i
个关节的有杆腔压力规划器为由此得到第
i
个关节的有杆腔期望压力
P
2di
；式中，
P
c
是设定的最小工作压力，
A
1i
和
A
2i
分别表示第
i
个关节中无杆腔和有杆腔的作用面积；根据
P
2di
和第
i
个关节的有杆腔实际压力
P
2i
，设计第
i
个关节的有杆腔压力跟踪控制器，所述第
i
个关节的有杆腔压力跟踪控制器为
α
2pi
＝
α
2pai
+
α
2ps1i
+
α
2ps2i
，由此得到第
i
个关节的有杆腔期望流量
α
2pi
；式中，
α
2pai
为
α
2pi
的自适应模型补偿项，
α
2ps1i
为
α
2pi
的线性鲁棒反馈项，
α
2ps2i
为
α
2pi
的非线性鲁棒反馈项；由此得到单腿液压助力外骨骼各关节的有杆腔期望流量
α
2p
＝
[
α
2p1 α
2p2 α
2p3
]
T
。4.
如权利要求1所述的单腿液压助力外骨骼控制方法，其特征在于，各关节对应的
PS1、PV1、PV2、PV3、PV4
的控制电压的计算方法包括以下步骤：根据
α
2p
、Q
1m
对各关节进行泵阀流量分配；针对第
i
个关节，所述第
i
个关节的变转速泵
PS1
的控制电压
u
pi
为：如果那么
sw
1i
＝1，
sw
2i
＝0，如果那么
sw
1i
＝0，
sw
2i
＝1，如果那么
sw
1i
＝0，
sw
2i
＝0，
Q
pdi
＝0；其中，表示第
i
个关节液压缸的期望位移，
Q
pbound
表示使用变转速泵的最小边界流量，
Q
pdi
表示第
i
个关节的变转速泵的期望输出流量，
sw
1i
和
sw
2i
分别表示第
i
个关节中泵控部分的流量进入液压缸无杆腔时开关阀的开关状态和进入液压缸有杆腔时开关阀的开关状态；得到第
i
个关节的变转速泵
PS1
的控制电压为所述第
i
个关节的伺服阀的控制电压
u
pv1i
，
u
pv2i
，
u
pv3i
，
u
pv4i
为：
Q
1pdi
＝
sw
1i
Q
pdi
，
Q
2pdi
＝
sw
2i
Q
pdi
，
Q
1vdi
＝
Q
1mi
‑
Q
1pdi
，
Q
2vdi
＝
α
2pi
+Q
2pdi
，其中
Q
1pdi
和
Q
2pdi
分别表示第
i
个关节中来自泵控部分的无杆腔期望进油流量与有杆腔期望进油流量，
Q
1vdi
和
Q
2vdi
分别表示第
i
个关节中来自阀控部分的无杆腔期望进油流量与有杆腔期望出油流量；如果
Q
1vdi
＞0，那么
u
pv3i
＝0；如果
Q

【专利技术属性】
技术研发人员：陈珊，张新甫，陈嘉禾，董方方，韩江，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：