CN103612257A - 一种外骨骼泵阀联合控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外骨骼泵阀联合控制装置及控制方法。一种外骨骼泵阀联合控制装置,包括传感器装置,还包括设置在外骨骼髋部的伺服电机、液压定量泵、伺服阀和连接外骨骼大小腿的液压缸;所述液压定量泵通过联轴器与伺服电机连接,所述伺服阀与所述液压定量泵连接,所述液压缸与所述伺服阀连接;所述伺服电机转动带动所述液压定量泵单向旋转,通过控制伺服电机转速调节所述液压定量泵的输出流量,控制所述伺服电机扭矩调节所述液压定量泵输出压力,所述伺服阀通过节流,控制所述液压缸的收缩以满足外骨骼适应人体膝关节运动。本发明的技术方案在负重携行情况下实现人机耦合位姿随动控制,并实现液压动力系统的节能控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种外骨骼泵阀联合控制装置及控制方法。
背景技术
力量增强型动力外骨骼主要用于增强人的力量,帮助人类完成重载负荷作业和肢残人士辅助行走等活动。尤其在高原山地作业中,环境复杂,保障困难,机动运输工具无法正常到达,当携行大量装备物资,山地、长距离重载携行时,外骨骼助力的需求非常突出。因此,有必要研究一套基于外骨骼助力技术的仿生机械装置,满足人体的可穿戴式助力机动需求。
另外,传统的外骨骼控制装置还没有采用泵阀联合控制的先例。采用泵阀联合控制方式能实现在负重携行情况下实现人机耦合位姿随动控制,并实现液压动力系统的节能控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足,提供一种泵阀联合控制装置及控制方法,针对人体不同的动作模式,分别调节伺服电机转速、电机输出扭矩和液压缸压力,能够在满足不同控制响应指令要求的前提下实现液压节能控制和系统压力随动控制。
为了实现上述发明目的,本发明提供了以下技术方案:
如图1中所示,一种外骨骼泵阀联合控制装置,包括传感器装置,还包括设置在外骨骼髋部的伺服电机、液压定量泵、伺服阀和液压缸;
所述液压定量泵通过联轴器与伺服电机连接,所述伺服阀与所述液压定量泵连接,所述液压缸与所述伺服阀连接;
所述伺服电机转动带动所述液压定量泵单向旋转,通过控制伺服电机转速调节所述液压定量泵的输出流量,控制所述伺服电机扭矩调节所述液压定量泵输出压力,所述伺服阀通过节流,控制所述液压缸的收缩以适应外骨骼的动作模式的膝关节运动。
所述传感器装置包括四只脚底压力传感器、一只压力传感器、五个模式按钮;
如图2中所示,所述四只脚底压力传感器分别设置在两只外骨骼传感鞋的前掌和后跟处,所述压力传感器设置在外骨骼右膝关节前部,用于感知单腿跪地模式;所述模式按钮设置在外骨骼背带上,用于接收人为指令。在图2的标识中分别为:5-后跟压力传感器,6-前掌压力传感器,7-右膝关节压力传感器,8-模式按钮。
所述伺服电机包括旋转变压器和电流计,所述旋转变压器和电流计测量伺服电机的转速和电流,由电流计算得到当前电机的输出扭矩。
所述液压缸的数量为两个。
所述液压缸的进油口处设置流体压力传感器,所述流体压力传感器用于测量液压缸的入口压力。
一种外骨骼泵阀联合控制方法,包括以下步骤:
第一步:根据四只脚底压力传感器、五个模式按钮、一只右膝关节压力传感器信息进行融合判断当前人体5种典型动作模式的控制任务调度逻辑,实现人机携行过程中站立、行走、单腿跪地、单腿起立、双腿蹲几种动作模式之间的正常切换控制,见图5和图6所示。
如图5中所示,通过模式按钮进行模式判定,具体为:
1、其中,默认的模式是行走模式,行走模式中具体的判定流程是:通过脚底压力传感器采集压力数据进行阀值判定:
如果前掌与后跟压力均大于阀值,则进入行走支撑模式,在行走支撑模式下的单腿触地阶段,进行单腿泵阀联合控制;
如果前掌与后跟压力均小于阀值,则进入行走摆动模式,在行走摆动模式下的单腿抬起阶段,伺服阀负向最大。
2、如果判定模式为站立模式,通过脚底压力传感器进行阀值判定;
如果双脚压力值大于阀值,则进入双脚站立模式,在双脚站立模式中的双腿触地阶段,进行双腿泵阀联合控制;
如果出现其他情况,则转入行走模式。
3、如果判定模式为单腿跪地模式,则进入单腿跪地判断流程。
4、如果判定模式为单腿起立模式,则进入单腿起立判断流程。
5、如果判定模式为双腿蹲模式,则通过脚底压力传感器进行阀值判定,如果双脚前脚压力值大于阀值,则进入双脚站立模式,进行双腿泵阀联合控制;
如果出现其他情况,则转入行走模式。
第二步:依据样机在不同负重条件下携行试验,设计电机期望扭矩指令;依据不同动作模式下所需的液压输出流量试验,设计各动作模式下电机期望转速指令;依据人在触地阶段地面垂直反力的变化特性,设计液压缸期望压力指令;这三种指令作为外骨骼泵阀联合控制方法的参考输入。
第三步:采用伺服电机驱动液压定量泵;对电机转速同时进行扭矩伺服和转速调节控制;电机转速在给定范围内时,通过控制电机电流实现电机的扭矩伺服控制;当电机转速超过一定的上下限后,通过控制伺服电机电压实现电机的转速调节控制;
第四步:伺服阀控制液压缸进行压力伺服控制,所述压力伺服控制具体是通过设置在液压缸入口处的两只流体压力传感器,测量液压缸实际压力,与不同动作模式和不同负重条件下的期望压力进行偏差控制,实现液压缸压力伺服。
行走模式下的期望压力的设计考虑不同负重条件下人在触地阶段地面垂直反力的期望变化。单腿跪地和单腿起立模式的期望变化值需要通过试验方法确定。站立模式考虑液压动力系统正常驱动所需的压力值。
其控制回路的数学模型包括PI控制律、伺服阀数学模型、液压缸数学模型。控制律的PI控制参数可根据控制回路的频域特性曲线进行设计。
所述第二步中扭矩伺服控制具体为:通过伺服电机中设置的电流计反馈当前电流,间接得到伺服电机当前输出扭矩,与不同负重条件下得到的期望扭矩进行偏差控制,实现扭矩伺服。电机扭矩指令的设计需要综合考虑不同动作模式下试验得到的液压动力系统正常驱动所需的压力,液压泵排量以及电机效率。
所述第二步中转速调节控制具体为:通过伺服电机中设置的旋转变压器测得当前电机转速,与不同动作模式下的期望转速进行偏差控制,实现转速调节。电机转速指令的设计根据不同动作模式下试验得到膝关节角度和角速度变化规律计算得到。
在所述第一步中:在站立和行走模式中,采用脚底压力传感器进行判断,在单腿跪地与单腿起立模式中,分别设计两条线程,第一主线程依据设置在外骨骼膝关节大腿上的压力传感器感知在跪地过程中外骨骼是否与地面接触,如果未与地面接触,切换到辅助线程进行判别,第一辅助线程通过软件中的数字解算判断当前液压缸是否到达跪地阶段的最短行程,如果已到达最短行程,则跪地模式结束,伺服阀开口大小保持不变;起立过程中也分别设计两条线程,第二主线程依据安装在外骨骼膝关节大腿上的压力传感器感知外骨骼是否与地面接触,如果人体跪地姿态一旦出现问题,随时切换到第二辅助线程进行判别,第二辅助线程判断当前液压缸是否到达站立阶段的最长行程,如果已到达最长行程,则单腿起立模式结束,并切换到行走模式。
在行走触地到稳态支撑阶段,采用液压缸压力反馈控制方法。触地过程中的期望压力根据不同负重条件下人在触地阶段地面垂直反力设计。单腿跪地和单腿起立模式的期望压力值根据下述的试验方法确定。站立模式的期望压力值为液压动力系统正常驱动所需的压力值。在单腿跪地过程中,采用伺服阀开环渐变控制指令形式实现,在站立、行走、单腿起立、双腿蹲模式中均采用伺服阀闭环反馈控制指令形式实现。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
通过所述伺服电机转动带动所述液压定量泵单向旋转,通过控制伺服电机转速调节所述液压定量泵的输出流量,控制所述伺服电机扭矩调节所述液压定量泵输出压力,所述伺服阀通过节流,控制所述液压缸的收缩以满足外骨骼适应人体膝关节运动。本发明提供了一种泵阀联合控制装置及控制方法,针对人体不同的动作模式,分别调节伺服电机转速、电机输出扭矩和液压缸压力,能够在满足不同控制响应指令要求的前提下实现液压节能控制和系统压力随动控制。
附图说明:
图1为本发明的外骨骼泵阀联合控制装置原理示意图。
图2为本发明的外骨骼泵阀联合控制装置的传感器装置布置图。
图3为本发明在负重90kg,行走速度3km/h条件下液压缸期望压力设计曲线。
图4为本发明在负重90kg,行走速度3km/h条件下阀控液压缸压力馈控制回路频域特性。
图5为本发明外骨骼泵阀联合控制控制方法的动作模式切换任务逻辑示意图。
图6为本发明外骨骼泵阀联合控制控制方法的单腿跪地和单腿起立模式的任务调度逻辑示意图。
附图中的标记分别为:5-后跟压力传感器,6-前掌压力传感器,7-右膝关节压力传感器,8-模式按钮,9-支撑过程,10-支撑过程响应时间放宽2倍,11-支撑过程响应时间放宽4倍。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
以下提供一种外骨骼泵阀联合控制系统装置及人体典型动作运动控制的具体实时方式。
下肢外骨骼的控制系统为泵阀串联控制方式,通过外骨骼携带的电池驱动伺服电机工作,电机通过联轴器与液压定量泵连接。通过控制伺服电机转速调节液压泵输出流量;控制伺服电机扭矩调节液压泵输出压力。液压泵后端接2个伺服阀,伺服阀通过节流,控制两个液压缸的收缩以适应士兵各种模式的膝关节运动。伺服阀控制液压缸采用压力反馈控制方式。在液压缸入口处安装流体压力传感器,测量范围0—35MPa。电机转速范围0—3500rpm,定量泵排量1.2mL/r。
⑴电机扭矩控制实施方式
根据液压系统压力和泵的排量,可以计算出电机扭矩T:
p为在不同负重条件人机携行所需的最小液压驱动压力(MPa);(为定量泵排量(ml/r);η为电机效率。
根据人机携行试验结果,可知样机在不同负重条件下对应压力和电机需求如表1所示。
表1不同负重下对应的所需的液压压力和电机扭矩,η=80%
负重mf(kg) | 驱动压力p(Ma) | 扭矩T(Nm) |
40 | 8 | 1.99 |
60 | 8.5 | 2.11 |
70 | 9.5 | 2.36 |
80 | 10.5 | 2.61 |
90 | 11 | 2.74 |
因此针对不同负重工况下,电机期望扭矩表示为:
Texp=interp1(Tab_Texp,mf)
Tab_Texp为扭矩随负重变化的扭矩一维插值表,mf为负重插值表。
电机扭矩控制采用电机输入电流进行控制,表示为:
Ictrl=kTp(Texp-KeI)+kTi∫(Texp-KeI)
I为当前电机实际电流值,通过电流计测量得到。
kTp、kTi为电机扭矩环控制参数,由电机扭矩环控制回路设计确定。其中扭矩控制回路中相关数学模型描述为:
电流计数学模型:取为1
电机输出扭矩计算模型:Te=KeI
其中Km为伺服电机机电时间常数,La、Ra为电机电枢电感和电阻,ps为泵提高的系统压力。
⑵电机转速控制实施方式
各种动作模式下的液压缸需要的理论流量可以通过膝关节角度和角速度几何换算出来,表示为:
其中Qmax表示士兵在完成几种动作模式过程中对应的液压缸期望流量最大值;ωk表示膝关节角速度,通过陀螺仪测量得到,θk表示膝关节角度,通过编码器测量得到;D表示液压缸内径。D1表示液压缸大腿连接点至膝关节轴承距离;D2表示液压缸小腿连接点至膝关节轴承距离。
因此伺服电机转速指令表示为:
其中ζ为液压泵的容积效率。
根据人机携行试验结果,正常完成几种动作模式所需的液压系统输出流量如表2所示。
表2几种动作模式所需的液压系统输出流量和电机期望转速指令
电机转速控制指令采用PI控制算法实现,表示为:
Uctrl=knp(nexp-n)+kni∫(nexp-n)
Uctrl为伺服控制输入电压,knp、kni为控制参数,由图2中电机转速环控制回路设计确定。其中转速控制回路中相关数学模型描述为:
定量泵输出流量计算模型:Qmax=nexpυζ
旋转变压器数学模型:取为1
其中Ke为电机电磁时间常数,Tm、Td、K为相关模型参数。
⑶电机扭矩与转速切换控制方式
考虑到伺服电机控制的稳定性,电机转速环和扭矩环控制采用切换控制机理实现,描述如下:
其中Δn表示转速控制阈值。
⑷阀控液压缸压力控制实施方式
①行走模式下液压缸触地压力指令设计
依据人在触地阶段地面垂直反力的变化特性,设计样机触地瞬间到稳态支撑过程中,液压缸作用力变化特性,尽量保证控制系统具有一定的柔顺性。以外骨骼负重90kg为例,在行走速度为3km/h条件下,不考虑人摆腿阶段的控制,液压缸的期望压力设计曲线如图3所示。在实际试验过程中,根据试穿员自身控制系统响应的舒适性体验,对液压缸期望压力动态变化过程进行调宽,比如放大2倍、4倍等。图3中,支撑过程9,放宽2倍10.放宽4倍11。
②其它模式下液压缸触地压力指令设计
其它低速运动模式,如站立、单膝跪地、单膝起立、双腿蹲,液压缸触地压力指令根据人机携行的相关试验过程得到,如表3所示。
表3液压缸期望压力pexp随负重变化的设计值
负重质量mf(kg) | pexp(MPa) |
40 | 4 |
60 | 5 |
70 | 6 |
80 | 7 |
90 | 8 |
为了保证穿戴者的安全,单腿跪地模式设计期望液压缸压力变化,表示为:
其中表示跪地阶段油缸期望压力(MPa),Δt表示单腿跪地过程完成时间,如果设定为Δt=4s,则从蹲下开始到跪地触地时间为4s,可以调节。t表示下蹲开始后的时间变量。
单腿起立模式设计期望液压缸压力变化,表示为:
双腿蹲模式设计期望液压缸压力变化,表示为:
其中L表示当前液压缸长度,可由编码器通过几何方法计算得到,Lmax为液压缸最大长度。
③阀控液压缸压力控制回路设计
由于安装了油缸压力传感器,可以直接测量膝关节液压缸当前压力值pl。在伺服电机能够保证扭矩和转速稳定的前提下,液压系统主要通过伺服阀节流控制,实现对液压缸压力伺服控制。液压缸压力控制指令采用PI+校正网络控制算法实现,表示为:
其中Ictrl为伺服阀控制输入电流,kpp、kpi为液压缸压力比例和积分控制参数,a1、b1为超前滞后校正网络参数。
液压缸压力控制参数可由液压缸压力控制回路设计确定。其中相关数学模型描述为:
伺服阀数学模型:
液压缸压力输出数学模型:
其中ωsv为伺服阀固有频率,ζsv为伺服阀阻尼比,Ksv为伺服阀增益,mt为负载质量,Be为负载阻尼,K为负载弹簧刚度,Vt为液压缸总容积,βe为液压油弹性模量,Ap为液压缸横截面积,Kce为比例系数。ul为压力传感器测得的电压,为传感器测量电压量程范围。
代入当前选用的伺服阀和液压缸相关参数,整个液压缸压力反馈控制回路的频域特性曲线如图4所示,设计控制参数kpp、kpi满足频域设计幅值裕度GM>6dB,相位裕度PM>45°。
⑸控制算法任务调度实施方式
控制算法任务调度逻辑按照图5和图6所示流程实施。判断逻辑的优先级大致为:
模式按钮>膝关节压力传感器>脚底压力传感器>模式切换时间。
Claims (8)
1.一种外骨骼泵阀联合控制装置,包括传感器装置、设置在外骨骼髋部的伺服电机、液压定量泵、伺服阀和液压缸;
所述液压定量泵通过联轴器与伺服电机连接,所述伺服阀与所述液压定量泵连接,所述液压缸与所述伺服阀连接;
所述伺服电机转动带动所述液压定量泵单向旋转,通过控制伺服电机转速调节所述液压定量泵的输出流量,控制所述伺服电机扭矩调节所述液压定量泵输出压力,所述伺服阀通过节流,控制所述液压缸的收缩以适应外骨骼的动作模式的膝关节运动。
2.如权利要求1所述的一种,其特征在于,所述传感器装置包括四只脚底压力传感器、外骨骼泵阀联合控制装置器、一只压力传感器、五个模式按钮;
所述四只脚底压力传感器分别设置在两只外骨骼传感鞋的前掌和后跟处,所述压力传感器设置在外骨骼右膝关节前部,用于感知单腿跪地模式;所述模式按钮设置在外骨骼背带上,用于接收人为指令。
3.如权利要求1所述的一种外骨骼泵阀联合控制装置,其特征在于,所述伺服电机包括旋转变压器和电流计,所述旋转变压器和电流计测量伺服电机的转速和电流,由电流计算得到当前电机的输出扭矩。
4.如权利要求1所述的一种外骨骼泵阀联合控制装置,其特征在于,所述液压缸的进油口处设置流体压力传感器,所述流体压力传感器用于测量液压缸的入口压力。
5.一种外骨骼泵阀联合控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步:根据四只脚底压力传感器、五个模式按钮、一只右膝关节压力传感器信息进行融合判断当前人体5种典型动作模式的控制任务调度逻辑,实现人机携行过程中站立、行走、单腿跪地、单腿起立、双腿蹲几种动作模式之间的正常切换控制;
第二步:依据样机在不同负重条件下携行试验,设计电机期望扭矩指令;依据不同动作模式下所需的液压输出流量试验,设计各动作模式下电机期望转速指令;依据人在触地阶段地面垂直反力的变化特性,设计液压缸期望压力指令;这三种指令作为外骨骼泵阀联合控制方法的参考输入;
第三步:采用伺服电机驱动液压定量泵;对电机转速同时进行扭矩伺服和转速调节控制;电机转速在给定范围内时,通过控制电机电流实现电机的扭矩伺服控制;当电机转速超过一定的上下限后,通过控制伺服电机电压实现电机的转速调节控制;
第四步:伺服阀控制液压缸进行压力伺服控制,所述压力伺服控制具体是通过设置在液压缸入口处的两只流体压力传感器,测量液压缸实际压力,与不同动作模式和不同负重条件下的期望压力进行偏差控制,实现液压缸压力伺服。
6. 如权利要求5所述的一种外骨骼泵阀联合控制方法,其特征在于,所述第二步中扭矩伺服控制具体为:通过伺服电机中设置的电流计反馈当前电流,间接得到伺服电机当前输出扭矩,与不同负重条件下设计的期望扭矩进行偏差控制,实现扭矩伺服。
7.如权利要求5所述的一种外骨骼泵阀联合控制方法,其特征在于,所述第二步中转速调节控制具体为:通过伺服电机中设置的旋转变压器测得当前电机转速,与不同动作模式下设计的期望转速进行偏差控制,实现转速调节。
8. 如权利要求5所述的一种外骨骼泵阀联合控制方法,其特征在于,在所述第一步中:在站立和行走模式中,采用脚底压力传感器进行判断,在单腿跪地与单腿起立模式中,分别设计两条线程,第一主线程依据设置在外骨骼右膝关节上的压力传感器感知在跪地过程中外骨骼是否与地面接触,如果未与地面接触,切换到辅助线程进行判别,第一辅助线程通过软件中的数字解算判断当前液压缸是否到达跪地阶段的最短行程,如果已到达最短行程,则跪地模式结束,伺服阀开口大小保持不变;起立过程中也分别设计两条线程,第二主线程依据安装在外骨骼右膝关节上的压力传感器感知外骨骼是否与地面接触,如果人体跪地姿态一旦出现问题,随时切换到第二辅助线程进行判别,第二辅助线程判断当前液压缸是否到达站立阶段的最长行程,如果已到达最长行程,则单腿起立模式结束,并切换到行走模式。
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