CN105193534A - 一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，该方法首先通过实时控制器检测到脚底压力传感器信号，并判断助力外骨骼下肢机构是处于摆动还是支撑状态，根据所处的状态选择采集腰部上或小腿上的多维力传感器的信号；实时控制器将多维力传感器接触点的力转换为该点期望的速度，通过运算进而得出髋关节和膝关节的期望角度；实时控制器通过采集运算旋转编码器的角度信息，输出控制电液伺服阀的电压信号；伺服阀放大板将该电压信号转化为电液伺服阀的电流信号；电液伺服阀根据电流信号的大小，实现对流入液压缸流量的控制，进而实现液压缸活塞位置的控制；本发明在人机间交互问题上有效、可靠，并具有对人体运动意图快速响应的特点。

Description

一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法。

背景技术

军队士兵经常需要背负重物进行长距离行走或作战，过重的负载常会对士兵身体造成一定的伤害，在这种背景下，需要开发一款能在战场环境中增强士兵速度、力量以及耐力的外骨骼装备；在科考、消防营救等领域，科考人员及消防营救人员常常需要长距离行走、背负重物、运送伤员、野外作战、登山探险等，传统的轮式交通工具难以在这些特殊场合发挥作用。除此之外，外骨骼也可以被用于仓库的货物装卸，以减轻搬运工人的劳动强度。外骨骼与人的组合能适应非结构化的环境，拥有极好的灵活性，可以完成一些复杂的装卸的工作，如为战斗机装卸导弹等，这是其他的装卸设备难以比拟的。外骨骼在这些领域的应用将对这些领域起到非常积极的作用。另外，老龄化正在全球蔓延，外骨骼的出现不仅可以帮助一些老年人解决体力较差、行走不变的问题，也可以帮助一些丧失行动能力的人恢复部分的行动能力。助力外骨骼的特点是要求在非结构环境下与穿戴者进行协作，这要求研究人员需要解决非结构性环境下高度协调的人机一体化问题，包括有效、可靠的人机间交互问题，对人体运动意图的快速响应问题，轻便、灵活的仿生结构设计，人机系统的安全性问题等，这些技术问题还处于初级摸索阶段，并不成熟，还需要进行深入的研究。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，该方法在人机间交互问题上有效、可靠，并具有对人体运动意图快速响应的特点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，所述可穿戴式助力外骨骼下肢机构包括：腰部、左腿、右腿、液压伺服驱动系统、实时控制器、电源模块；其中，所述左腿和右腿分别与腰部铰接，并对称设置在腰部两侧；液压伺服驱动系统分别与左腿和右腿相连，并对其进行控制；液压伺服驱动系统与实时控制器相连；电源模块对液压伺服驱动系统供电；

所述腰部包括：倾角传感器、负重板、两个底板、第二连接板、第一多维力传感器、腰部绑带等；其中，两个底板分别安装在负重板的两侧；倾角传感器固定联接在负重板上；第二连接板固定联接在负重板上；第一多维力传感器固定连接在第二连接板上；腰部绑带固定连接在第一多维力传感器上；

所述液压伺服驱动系统包括：蓄能器、第一电液伺服阀、第二电液伺服阀、配油盘(19)、伺服阀放大板、液压泵站等；其中，蓄能器固定联接在第一连接板上；第一电液伺服阀、第二电液伺服阀均与配油盘固定联接；配油盘与第一连接板固定联接；蓄能器和配油盘的进油口均与液压泵站出油口连接；第一电液伺服阀的进油口、第二电液伺服阀的进油口均与配油盘进油口相连，第一电液伺服阀的出油口与配油盘的第一出油口相连，第二电液伺服阀的出油口与配油盘的第二出油口相连；伺服阀放大板与底板固定连接，一方面用于放大实时控制器输出的控制信号的功率，另一方面将实时控制器的电压信号转化为电流信号；

第二多维力传感器固定连接在左右腿的小腿上；髋关节旋转编码器和膝关节旋转编码器分别设置在髋关节和膝关节处；脚底压力传感器设置在脚底板上；

该方法包括如下步骤：

(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；同时，初始化第一多维力传感器、第二多维力传感器、髋关节旋转编码器和膝关节旋转编码器；

(2)实时控制器的数据采集模块检测到脚底压力传感器传来的信号，根据一条腿是否接触地面的情况，判断助力外骨骼下肢机构处于摆动状态或支撑状态；

(3)如果助力外骨骼下肢机构处于支撑状态，选择采集腰部上的第一多维力传感器的信号；如果助力外骨骼下肢机构处于摆动状态，选择采集小腿上的第二多维力传感器的信号；

(4)通过实时控制器的运算与通信模块将第一多维力传感器或第二多维力传感器接触点的力F转换为该点期望的速度v；

v＝K_vF

其中：

F为第一多维力传感器或第二多维力传感器上测得的人‐机之间的作用力，设 $F=\left[\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ M_z\end{array}\right],$ F_x为x轴的作用力，F_y为y轴的作用力，M_z为z轴的力矩；

K_v为对角矩阵，K_v＝diag(k_x,k_y,k_w)，k_x为x轴的线速度增益参数，k_y为y轴的线速度增益参数，k_w为z轴的转动角速度增益参数；

v为第一多维力传感器或第二多维力传感器安装点的运动速度，设 $v=\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ w_z\end{array}\right],$ v_x为x轴的线速度，v_y为y轴的线速度，w_z为z轴的转动角速度；

(5)计算雅可比矩阵的逆矩阵ω＝J^-1v，得出髋关节和膝关节的期望速度ω，再对其进行积分，得出髋关节和膝关节的期望角度q_d；

(6)实时控制器通过采集运算髋关节旋转编码器和膝关节旋转编码器的角度信息q，输出控制电液伺服阀的电压信号u(t)；

$u\left(t\right)=k_{p}e\left(t\right)+\frac{1}{k_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+k_d\frac{de\left(t\right)}{dt}$

其中，e(t)＝q_d(t)-q(t)，q_d(t)为实时控制器通过采集运算得出的髋关节和膝关节的期望角度，q(t)为髋关节和膝关节对应旋转编码器测量到的角度；k_p为比例系数，k_i为积分时间常数，k_d为微分时间常数；

(7)伺服阀放大板将步骤(6)获得的电压信号u(t)转化为电液伺服阀的电流信号；

(8)第一电液伺服阀和第二电液伺服阀根据电流信号的大小，实现对流入第一液压缸和第二液压缸流量的控制，进而实现液压缸活塞位置的控制；

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：本发明主要针对在长时间负重作业环境下辅助或者增强人们的步行能力。其动力系统采用具有体积小、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驱动方式。传感器系统主要分布在腰部、小腿、液压缸、脚底等位置来实现较有效、可靠的人-机交互。设置柔性机构，采用拟人机构设计，可穿戴式的结构设计适应人体生理结构，通过与人体下肢运动关节的耦合实现与人体协调运动。同时具有安全性的设计，通过选择合适材料不但足以负担重物，也可以应付一定范围内的冲击载荷；软限位和硬限位等共同实现碰撞前的预防和碰撞后的保护。

附图说明

图1是本发明的整体形状结构示意图：

图2是本发明的腰部放大结构示意图；

图3是本发明的髋关节放大结构示意图；

图4是本发明的液压控制单元放大结构示意图；

图5是本发明的大腿放大结构示意图；

图6是本发明的小腿放大结构示意图；

图7是本发明的实时控制器控制结构框图；

图8是本发明的控制流程图；

图中，腰部1、液压伺服驱动系统2、髋关节3、大腿4、膝关节5、小腿6、踝关节7、脚掌8、第一连接板9、倾角传感器10、负重板11、底板12、第二连接板13、第一多维力传感器14、腰部绑带15、蓄能器16、第一电液伺服阀17、第二电液伺服阀18、配油盘19、第一液压缸20、髋关节液压缸连接件21、髋关节连接件22、髋关节旋转编码器23、旋转编码器安装座24、伸长杆25、方端盖26、销钉27、轴承28、球头29、大腿骨30、第二液压缸31、膝关节旋转编码器32、小腿骨33、第二多维力传感器34、支撑板35、伺服阀放大板36、小腿绑带37、踝关节球铰链38、踝关节小腿骨连接件39、脚底板40、脚掌绑带41、脚底压力传感器42。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构包括：腰部1、左腿、右腿、液压伺服驱动系统2、实时控制器、电源模块；其中，所述左腿和右腿分别与腰部1铰接，并对称设置在腰部1两侧；液压伺服驱动系统2分别与左腿和右腿相连，并对其进行控制；液压伺服驱动系统2与实时控制器相连；电源模块对液压伺服驱动系统2供电；所述电源模块可以由随身携带的锂电池来实现；

所述腰部1包括：倾角传感器10、负重板11、两个底板12、第二连接板13、第一多维力传感器14、腰部绑带15；其中，两个底板12分别安装在负重板11的两侧；倾角传感器10固定联接在负重板11上；第二连接板13固定联接在负重板11上；第一多维力传感器14固定连接在第二连接板13上；腰部绑带15固定连接在第一多维力传感器14上；

所述液压伺服驱动系统2包括：蓄能器16、第一电液伺服阀17、第二电液伺服阀18、配油盘19、伺服阀放大板36、液压泵站(图中为示出)；其中，蓄能器16固定联接在第一连接板9上；第一电液伺服阀17、第二电液伺服阀18均与配油盘19固定联接；配油盘19与第一连接板9固定联接；蓄能器16和配油盘19的进油口均与液压泵站出油口连接；第一电液伺服阀17的进油口、第二电液伺服阀18的进油口均与配油盘19进油口相连，第一电液伺服阀17的出油口与配油盘19的第一出油口相连，第二电液伺服阀18的出油口与配油盘19的第二出油口相连；伺服阀放大板36与底板12固定连接，一方面用于放大实时控制器输出的控制信号的功率，另一方面将实时控制器的电压信号转化为电流信号。

如图2‐6所示，所述右腿和左腿结构相同，均包括：髋关节3、大腿4、膝关节5、小腿6、踝关节7、脚掌8、第一连接板9；其中，髋关节3固定联接在底板12上；髋关节3与大腿4固定联接；大腿4和小腿6均与膝关节5铰接；小腿6与踝关节7固定联接；踝关节7与脚掌8通过球铰链连接；液压伺服驱动系统2固定联接在第一连接板9上，第一连接板9固定联接在髋关节3上。

所述髋关节3包括：第一液压缸20、髋关节液压缸连接件21、髋关节连接件22、髋关节旋转编码器23、旋转编码器安装座24、伸长杆25、方端盖26、球窝；其中，第一液压缸20一端与底板12铰接，另一端与髋关节液压缸连接件21铰接；髋关节液压缸连接件21与髋关节连接件22铰接；髋关节旋转编码器23设置在旋转编码器安装座24上；旋转编码器安装座24与伸长杆25通过球窝联接；

所述球窝包括：销钉27、轴承28、球头29；其中，球头29设置在销钉27上，在球头29两侧设置有一对轴承28；销钉27与伸长杆25之间设置有一对轴承28，方端盖26与伸长杆25固定联接，销钉27通过一对方端盖26对其进行轴向限位；球头29固定在旋转编码器安装座24中，销钉27绕球头29旋转，其旋转角度受球窝联接的孔径大小限制；

所述大腿4包括：大腿骨30、第二液压缸31；其中，大腿骨30与伸长杆25固定连接，第二液压缸31的一端与大腿骨30铰接，另一端与小腿6铰接；第二液压缸31与大腿骨30铰接；

所述膝关节5包括：膝关节旋转编码器32；其中，大腿骨30与小腿6铰接，膝关节旋转编码器32设置在大腿骨30与小腿6铰接处；

所述小腿6包括：小腿骨33、第二多维力传感器34、支撑板35、小腿绑带37；其中，支撑板35固定联接在小腿骨33上，第二多维力传感器34固定联接在支撑板35上；小腿绑带37固定在第二多维力传感器34上；

所述踝关节7包括：踝关节球铰链38、踝关节小腿骨连接件39；其中，踝关节小腿骨连接件39一端与小腿骨33固定连接，另一端与踝关节球铰链38连接；

所述脚掌8包括：脚底板40、脚掌绑带41、脚底压力传感器42；其中，脚底板40与球铰链42固定连接；脚掌绑带41固定在脚底板40上；脚底压力传感器42分别粘接在脚底板40的脚尖、脚中、脚跟三处。

如图7所示，所述实时控制器包括运算与通信模块、数据采集模块和控制输出模块；其中，所述运算与通信模块包括CPU、网络通信、FPGA；CPU和网络通信通过网线网卡相连，CPU和FPGA通过PCI总线相连；所述数据采集模块包括数字输入模块和模拟输入模块；所述控制输出模块为模拟输出模块；数字输入模块的数字输出端口与FPGA的数字输入端口相连，模拟输入模块的模拟输出端口与FPGA的模拟输入端口相连，模拟输出模块的输入端口与FPGA的模拟输出端口相连；髋关节旋转编码器23与数字输入模块的髋关节数据采集端口相连，膝关节旋转编码器32与数字输入模块的膝关节数据采集端口相连，脚底压力传感器42与数字输入模块的脚底数据采集端口相连；三个多维力传感器分别与模拟输入模块的三个多维力传感器数据采集端口相连；模拟输出模块的电压输出端口与伺服阀放大板的电压输入端口相连，伺服阀放大板36的第一电流输出端口和第二电流输出端口分别与第一电液伺服阀17和第二电液伺服阀18相连；实时控制器通过Ethernet与上位机相连；所述实时控制器可采用的型号为NIcRIO‐9031的产品，但不限于此；所述伺服阀放大板36可采用的型号为StarWO36829/1的产品，但不限于此。

可穿戴式助力外骨骼下肢机构有7个自由度，其中髋关节3有3个，膝关节5有1个，踝关节7有3个。在这7个自由度中，髋关节3处和膝关节5处的自由度由液压缸驱动，其余的自由度均为被动自由度。

人将腰部绑带15粘接绑于身体的腰部，左右小腿绑带37粘接绑于身体的小腿处，通过自身小腿的运动带动外骨骼下肢机构进行运动。人在运动的同时，安装在腰部1的倾角传感器10能够测量身体偏离竖直面的角度，以判断体姿；安装在腰部1的第一多维力传感器14能够测量人的腰部对髋关节3的用力情况，以判断人的运动目的。髋关节3的三个自由度的运动包括第一液压缸20与髋关节液压缸连接件21完成的伸/屈运动、销钉27与球头29实现的旋内/旋外运动和伸长杆25与销钉27实现的外展/内收运动；第一液压缸20与髋关节液压缸连接件21连接，液压油推动液压缸活塞杆往前运动时，大腿4完成“迈腿”伸/屈运动；销钉27插在球头29中，髋关节3可以实现旋内/旋外运动，这里有一个机械限位功能，可将旋内/旋外运动限制在一定范围内；伸长杆25与销钉27通过轴承28连接，实现髋关节3外展/内收运动，在伸长杆25上设置有机械限位，可将外展/内收运动限制在一定范围内。根据髋关节3的三个自由度的运动情况，可产生不同的位移大小，通过安装在髋关节3的旋转编码器23和安装在脚底压力传感器42可检测角度的大小和脚掌对地面的用力情况，从而得出大腿4的位姿和判断步态。膝关节5的一个自由度是这样实现的：第二液压缸31与大腿骨30铰接，当液压缸活塞杆伸长时，大腿4完成“迈腿”伸/屈运动，同时膝关节5的伸/屈也是完成人体“迈步”动作的主动作；根据膝关节5的运动情况，可产生一定的旋转角度，通过安装在膝关节5的旋转编码器36和安装在脚底压力传感器42可检测角度的大小和脚掌对地面的用力情况，得出小腿6的位姿和判断步态。踝关节7的三个自由度分别是伸/屈、外展/内收、旋内/旋外，通过用球铰链的形式来实现踝关节7的三自由度运动。

如图8所示，本发明提供了一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，包括如下步骤：

(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；同时，初始化第一多维力传感器14、第二多维力传感器34、髋关节旋转编码器23和膝关节旋转编码器32；

(2)实时控制器的数据采集模块检测到脚底压力传感器42传来的信号，根据一条腿是否接触地面的情况，判断助力外骨骼下肢机构处于摆动状态或支撑状态；

(3)如果助力外骨骼下肢机构处于支撑状态，选择采集腰部1上的第一多维力传感器14的信号；如果助力外骨骼下肢机构处于摆动状态，选择采集小腿6上的第二多维力传感器34的信号；

(4)通过实时控制器的运算与通信模块将第一多维力传感器14或第二多维力传感器34接触点的力F转换为该点期望的速度v；

v＝K_vF

其中：F为第一多维力传感器14或第二多维力传感器34上测得的人‐机之间的作用力，设 $F=\left[\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ M_z\end{array}\right],$ F_x为x轴的作用力，F_y为y轴的作用力，M_z为z轴的力矩；

K_v为对角矩阵，K_v＝diag(k_x,k_y,k_w)，k_x为x轴的线速度增益参数，k_y为y轴的线速度增益参数，k_w为z轴的转动角速度增益参数；

v为第一多维力传感器14或第二多维力传感器34安装点的运动速度，设 $v=\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ w_z\end{array}\right],$ v_x为x轴的线速度，v_y为y轴的线速度，w_z为z轴的转动角速度；

(5)计算雅可比矩阵的逆矩阵ω＝J^-1v，得出髋关节3和膝关节5的期望速度ω，再对其进行积分，得出髋关节3和膝关节5的期望角度q_d；

(6)实时控制器通过采集运算髋关节旋转编码器21和膝关节旋转编码器32的角度信息q，输出控制电液伺服阀的电压信号u(t)；

$u\left(t\right)=k_{p}e\left(t\right)+\frac{1}{k_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+k_d\frac{de\left(t\right)}{dt}$

其中，e(t)＝q_d(t)-q(t)，q_d(t)为实时控制器通过采集运算得出的髋关节3和膝关节4的期望角度，q(t)为髋关节3和膝关节5对应旋转编码器测量到的角度；k_p为比例系数，k_i为积分时间常数，k_d为微分时间常数；

(7)伺服阀放大板36将步骤(6)获得的电压信号u(t)转化为电液伺服阀的电流信号；

(8)第一电液伺服阀17和第二电液伺服阀18根据电流信号的大小，实现对流入第一液压缸20和第二液压缸31流量的控制，进而实现液压缸活塞位置的控制。

Claims (1)

1.一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，其特征在于，所述可穿戴式助力外骨骼下肢机构包括：腰部(1)、左腿、右腿、液压伺服驱动系统(2)、实时控制器、电源模块等；其中，所述左腿和右腿分别与腰部(1)铰接，并对称设置在腰部(1)两侧；液压伺服驱动系统(2)分别与左腿和右腿相连，并对其进行控制；液压伺服驱动系统(2)与实时控制器相连；电源模块对液压伺服驱动系统(2)供电；

所述腰部(1)包括：倾角传感器(10)、负重板(11)、两个底板(12)、第二连接板(13)、第一多维力传感器(14)、腰部绑带(15)；其中，两个底板(12)分别安装在负重板(11)的两侧；倾角传感器(10)固定联接在负重板(11)上；第二连接板(13)固定联接在负重板(11)上；第一多维力传感器(14)固定连接在第二连接板(13)上；腰部绑带(15)固定连接在第一多维力传感器(14)上；

所述液压伺服驱动系统(2)包括：蓄能器(16)、第一电液伺服阀(17)、第二电液伺服阀(18)、配油盘(19)、伺服阀放大板(36)、液压泵站等；其中，蓄能器(16)固定联接在第一连接板(9)上；第一电液伺服阀(17)、第二电液伺服阀(18)均与配油盘(19)固定联接；配油盘(19)与第一连接板(9)固定联接；蓄能器(16)和配油盘(19)的进油口均与液压泵站出油口连接；第一电液伺服阀(17)的进油口、第二电液伺服阀(18)的进油口均与配油盘(19)进油口相连，第一电液伺服阀(17)的出油口与配油盘(19)的第一出油口相连，第二电液伺服阀(18)的出油口与配油盘(19)的第二出油口相连；伺服阀放大板(36)与底板(12)固定连接，一方面用于放大实时控制器输出的控制信号的功率，另一方面将实时控制器的电压信号转化为电流信号；

第二多维力传感器(34)固定连接在左右腿的小腿上；髋关节旋转编码器(23)和膝关节旋转编码器(32)分别设置在髋关节和膝关节处；脚底压力传感器(42)设置在脚底板上；

该方法包括如下步骤：

(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；同时，初始化第一多维力传感器(14)、第二多维力传感器(34)、髋关节旋转编码器(23)和膝关节旋转编码器(32)；

(2)实时控制器的数据采集模块检测到脚底压力传感器(42)传来的信号，根据一条腿是否接触地面的情况，判断助力外骨骼下肢机构处于摆动状态或支撑状态；

(3)如果助力外骨骼下肢机构处于支撑状态，选择采集腰部(1)上的第一多维力传感器(14)的信号；如果助力外骨骼下肢机构处于摆动状态，选择采集小腿(6)上的第二多维力传感器(34)的信号；

(4)通过实时控制器的运算与通信模块将第一多维力传感器(14)或第二多维力传感器(34)接触点的力F转换为该点期望的速度v；

v＝K_vF

其中：F为第一多维力传感器(14)或第二多维力传感器(34)上测得的人‐机之间的作用力，设 $F=\left[\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ M_z\end{array}\right],$ F_x为x轴的作用力，F_y为y轴的作用力，M_z为z轴的力矩；

K_v为对角矩阵，K_v＝diag(k_x,k_y,k_w)，k_x为x轴的线速度增益参数，k_y为y轴的线速度增益参数，k_w为z轴的转动角速度增益参数；

v为第一多维力传感器(14)或第二多维力传感器(34)安装点的运动速度，设 $v=\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ w_z\end{array}\right],$ v_x为x轴的线速度，v_y为y轴的线速度，w_z为z轴的转动角速度；

(5)计算雅可比矩阵的逆矩阵ω＝J^-1v，得出髋关节(3)和膝关节(5)的期望速度ω，再对其进行积分，得出髋关节(3)和膝关节(5)的期望角度q_d；

(6)实时控制器通过采集运算髋关节旋转编码器(21)和膝关节旋转编码器(32)的角度信息q，输出控制电液伺服阀的电压信号u(t)；

$u\left(t\right)=k_{p}e\left(t\right)+\frac{1}{k_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+k_d\frac{de\left(t\right)}{dt}$

其中，e(t)＝q_d(t)-q(t)，q_d(t)为实时控制器通过采集运算得出的髋关节(3)和膝关节(4)的期望角度，q(t)为髋关节(3)和膝关节(5)对应旋转编码器测量到的角度；k_p为比例系数，k_i为积分时间常数，k_d为微分时间常数；

(7)伺服阀放大板(36)将步骤(6)获得的电压信号u(t)转化为电液伺服阀的电流信号；

(8)第一电液伺服阀(17)和第二电液伺服阀(18)根据电流信号的大小，实现对流入第一液压缸(20)和第二液压缸(31)流量的控制，进而实现液压缸活塞位置的控制。