CN106003022A - 一种用于助力外骨骼系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动控制技术领域，涉及一种用于助力外骨骼系统的控制方法。本发明根据人体对助力外骨骼系统的依赖程度，将助力外骨骼系统的控制分为粗调控制和精调控制；具体方法首先通过感知系统分析出目前人体的运动状态，根据不同的运动状态，如低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走，通过粗调控制方法，利用电机控制，控制油源压力，以达到不同的运动状态所要求的液压控制量；同时，在粗调控制的基础上，为了更加精确地控制外骨骼的运动姿态，采用精调控制，通过液压缸伸长量调节外骨骼末端肢节的位姿，以达到期望的位姿，最终让外骨骼精确地实现不同的运动状态。所述助力外骨骼系统的动力控制装置为由伺服电机控制的液压泵和由伺服阀控制的液压缸构成；所述的粗调控制对应的是调节油源压力大小，所述的精调控制对应的是调节液压缸的位移大小。

Description

一种用于助力外骨骼系统的控制方法

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，涉及一种用于助力外骨骼系统的控制方法。

背景技术

在抢险救灾或山地环境中，人们往往需要携带大量的装备和物资，这样会影响行进速度、行走距离和机动能力，因此，各国正在加速研制符合人体工程学的外骨骼携行助力系统，以实现减少体能消耗，提高负重能力和机动能力。目前的助力外骨骼系统主要的控制方法为采用液压控制系统，并结合PID控制方法进行控制，而PID控制方法需要先给出控制参数，目前常用的PID参数给定方法为试凑法，就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度，观察系统的运行，边修改参数，直到满意为止，而对于像液压这样的系统，由于系统参数在运行过程中是不断变化的，如在伺服阀零位，液压尼系数很小而流量放大Kq系数却很大，且电液伺服阀有时不在零位工作等，当系统的参数发生变化时，系统的模型也随之改变，以不变的控制参数去控制易发生变化的对象，PID控制效果很难保证。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提供一种电机控制与液压控制相结合的用于助力外骨骼系统的控制方法。

本发明的技术方案为：一种用于助力外骨骼系统的控制方法，其特征在于，包括：

根据人体对助力外骨骼系统的依赖程度，将助力外骨骼系统的控制分为粗调控制和精调控制；具体方法首先通过感知系统分析出目前人体的运动状态，根据不同的运动状态，如低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走，通过粗调控制方法，利用电机控制，控制油源压力，以达到不同的运动状态所要求的液压控制量；同时，在粗调控制的基础上，为了更加精确地控制外骨骼的运动姿态，采用精调控制，通过液压缸伸长量调节外骨骼末端肢节的位姿，以达到期望的位姿，最终让外骨骼精确地实现不同的运动状态。所述助力外骨骼系统的动力控制装置为由伺服电机控制的液压泵和由伺服阀控制的液压缸构成，其中，液压泵连接有油箱，伺服电机的输出由油源压力期望值和液压泵输出的油源压力输出值共同调节，伺服电机控制液压泵的输出，液压泵的输出还与伺服阀连接，伺服阀由液压缸期望位移值、油源压力输出值以及液压缸实际位移值共同调节，伺服阀通过流量控制液压缸的位移进而控制助力外骨骼系统；所述的粗调控制对应的是调节油源压力大小，所述的精调控制对应的是调节液压缸的位移大小；则还包括：

a.根据助力外骨骼系统感知装置所采集到的人体运动状态信号，判断当前状态下的人体运动特性，若当前状态下的人体运动特性为轻负载运动，则进入步骤b；若当前状态下的人体运动特性为高负载运动，则进入步骤c；

b.助力外骨骼系统启用粗调控制，具体为：所述人体运动状态信号至少包括低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走；设助力外骨骼系统的有效承载能达到70％，则还包括：

b1.获取液压泵的油源压力期望值，具体方法为：

b11.当人体运动状态信号为低速行走、站立、下蹲或起蹲时，则通过如下公式1计算当前液压泵的油源压力期望值为：

公式1中，m₀为仪器自重，m_f为背部负荷，D是液压缸活塞直径大小，η为膝关节处力臂修正系数，Δp为伺服阀节流压力损失；

背部负荷m^f可以通过初始时刻脚底压力传感器数值进行估算，可通过如下公式2计算：

公式2中F_si为第i个脚底压力传感器数值，ζ为压力传感器误差修正系数；

b12.当人体运动状态信号为高速行走时，则通过如下公式3计算当前液压泵的油源压力期望值为：

公式3中，P_n为额定功率，q^exp为液压缸流量，可通过如下公式4计算：

公式4中，A_p表示液压缸横截面积，为：A_p＝πD²/4；S为液压缸的收缩速率，假设高速行走时，人体单腿一个运动步态周期为T，支撑周期设为一个步态周期60％，设液压缸满行程为L_max＝0.16m，在快速行走时，液压缸位移为一个行程的1/2～1/3，则液压缸收缩速率可通过如下公式5计算：

b2.根据步骤b1中获得的油源压力期望值，通过转速控制器对伺服电机的转速进行调节，从而通过伺服电机控制液压泵来控制油源压力输出值；

c.助力外骨骼系统启用精调控制，具体为：通过如下公式6计算液压缸期望位移值：

公式6中，表示当前膝关节角度变化期望值；Dist1，Dist2以及当前液压缸的期望位置构成了一个三角形，它们分别表示三角边的大腿连接点或者小腿连接点与膝关节轴承的距离。

本发明的有益效果为，能够根据不同的人体运动状态、运动速度和运动阶段提供不同的动力支持，从而实现既能够实时跟踪人体运动并为人体运动提供高效合适的助力，同时又减少了系统能耗。

附图说明

图1是本发明的控制系统逻辑结构示意图；

图2是本发明的粗调控制流程示意图；

图3是本发明的精调控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

本发明对针对的外骨骼系统，首先需要在系统装置的传感靴、刚肢体的膝关节、大腿、小腿、液压系统的泵出口，以及液压缸处分别安放压力传感器、压力开关、角度传感器、惯性传感器和液压传感器，实时感知人体下肢的运动状态、运动速度和运动阶段，从而为控制系统提供实时、准确的信息，该部分是本领域内技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。

本发明的控制系统，其逻辑结构如图1所示，助力外骨骼系统的动力控制装置为由伺服电机控制的液压泵和由伺服阀控制的液压缸构成，其中，液压泵连接有油箱，伺服电机的输出由油源压力期望值和液压泵输出的油源压力输出值共同调节，伺服电机控制液压泵的输出，液压泵的输出还与伺服阀连接，伺服阀由液压缸期望位移值、油源压力输出值以及液压缸实际位移值共同调节，伺服阀通过流量控制液压缸的位移进而控制助力外骨骼系统。

本发明的控制流程如图2、图3所示：

利用泵控油源压力进行粗控制，利用伺服阀的反馈控制进行精控制，通过多种传感器的组合进行模式判别，如果当前的模式为低速行走或者站起、下蹲、起蹲，则利用油源控制方案中计算出的低速模式下的油源压力期望值，使油源压力跟踪此压力值，利用插值函数实时查找当前条件下合适的控制器，同时将数字量输出给D/A口，以此完成对油源压力的粗控制；高速行走模式下的实现流程与此类似。与此同时进行的是，通过膝关节编码器的A/D口,可以知道膝关节当前的弯曲角度，将当前角度减去膝关节编码器的初始角度，可以得出此时骨骼服膝关节的角度，利用三角形余弦定理，可知当前液压缸的长度，同时利用参数的自适应调整方案，调整不同运动状态的控制参数，输出数字量，在D/A通道的转换下，数字量变为相对应的模拟量，改变伺服阀的输入电流，以改变其开口大小。

期望控制信号的获取方式如下：

低速运动模式下泵控油源压力期望信号获得方法：

泵控力反馈/输出流量反馈控制回路响应慢，属于粗控策略，主要用来对不同模式下需要的基本油源压力进行稳定控制；而伺服阀控制回路响应快，属于精控策略，主要对不同模式下液压缸位移进行精确伺服控制，满足人正常行走、下蹲、起蹲时，外骨骼随动跟踪需求。

(1)低速行走单腿支撑

在有效承载能达到70％的情况下，油源期望压力表示为：

$p_s^{\exp }=\frac{(m_0+m_f)g\×70\%}{{\mathrm{\πD}}^2/4}+\mathrm{\Δ}p$

其中m₀为仪器自重，m_f为背部负荷，D是液压缸活塞直径大小为15mm，η为膝关节处力臂修正系数(此系数的确定需根据具体的运动模式，大约取值范围为1～3)，Δp为伺服阀节流压力损失，可取为2MPa。

背部负荷m^f可以通过初始时刻脚底压力传感器数值进行估算，表示为：

$m_f=(\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{F}_{si}-m_0)\×\mathrm{\ζ}$

其中F_si为第i个脚底压力传感器数值，ζ为压力传感器误差修正系数。

行走速度V绝对液压缸流量变化特性，因此不同行走速度要求的油源压力也会发生变化，这时可以利用试验方法确定在不同行走速度情况下究竟需要多大的供油压力合适。

(2)静止站立双腿腿支撑

同上，油源压力期望值大约为行走单腿支撑的一半。

(3)下蹲单腿支撑

与行走模式类似，可将η减小，并调整Δp大小。

(4)起蹲单腿支撑

与行走模式类似，可将η增大，并调整Δp大小。

高速运动模式下油源压力期望信号获得方法：速度大于3km/h后，系统要求泵源输出流量较大。

假设高速行走时，单腿一个运动步态周期为T，支撑周期考虑为一个步态周期60％，如果液压缸满行程为L_max＝0.16m，考虑快速行走时，液压缸位移为一个行程的1/2～1/3，则液压缸收缩速率表示为：

$\stackrel{\·}{S}=(0.33~0.5)\×\frac{L_{max}}{T\×60\%}$

液压缸流量表示为：

$q^{\exp }=\stackrel{\·}{S}\×A_p=(0.33~0.5)\×\frac{L_{\max }{A}_p}{T\×60\%}$

其中A_p表示液压缸横截面积，即

A_p＝πD²/4

将当前液压缸所需流量q^exp作为泵源系统必须达到的流量要求，因此油源压力期望值设计为：

$p_s^{\exp }=\frac{P_n}{q^{\exp }}$

P_n为额定功率，压力期望值的油源满足承载70％指标要求还需要最终试验验证。

a)阀控液压缸位移期望信号设计

阀控液压缸期望位移信号可以通过膝关节角度几何关系解算，表示为：

$Y^{\exp }=\sqrt{Dist{1}^2+Dist{2}^2-2\×Dist1\×Dist2\×{\mathrm{cos\θ}}_k^{\exp }}$

其中Y^exp表示当前液压缸活塞杆期望位置；表示当前膝关节角度变化期望值；Dist1，Dist2以及当前液压缸的期望位置构成了一个三角形，它们分别表示三角边的大腿连接点或者小腿连接点与膝关节轴承的距离。

控制系统只需要知道人腿在支撑过程中膝关节期望变化角度则液压缸位移变化特性可以实时解算。不同运动模式、不同负重、不同行走速度条件下，的变化特性不会相同。因此这里需要通过人体试验建立关于不同条件下的一个步态周期内的数据库。液压缸位置可以通过膝关节角度几何换算出来。

由于人穿戴上外骨骼装置后，在行走步态上会有一定的约束，因此设计膝关节期望角度不一定严格按照上述拟合的曲线设计，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，对期望角度动态变化过程进行调宽，比如放大2倍、4倍。整个步态周期触地阶段分成3个子阶段，第一个阶段为脚后跟触地阶段，此时前脚掌没有触地，膝关节角度增大，表示有点向后弯曲；第二个阶段为前脚掌触地阶段，此时前脚掌刚触地，全脚未达到稳态，膝关节期望角度减小，表示正在发力进行支撑；第三个阶段为全脚稳态阶段，此时后跟和前掌都已触地，表示触地阶段应该达到的稳态支撑角度，如果此时样机不进行下一步进行，控制系统应该一直保持在稳态阶段的期望角度。

膝关节期望角度变化与液压缸期望位置变化是一一对应的，期望角度经过换算之后，得到期望位置变化。

电机伺服的控制方法如下：

a)电机转速伺服控制

据液压动力试验结果，可知样机行走速度为3km/h(每步间隔0.8s，步频1.25Hz)时候，需要的流量近似为1.7L/min，电机转速近似为1000r/min。如果伺服阀进行伺服控制，泵输出1.7L/min流量是不够的。考虑泵输出流量合理值定为3L/min，经过泵排量和效率换算，得到伺服电机转速为2824r/min。因此在满足重载慢速行走条件下，电机期望转速设定为：n_exp＝2824r/min

在实际调试过程中，可以根据试穿员行走速度和舒适性需要，可以对电机期望转速n_exp进行微调。

电机转速控制指令采用PI控制算法实现，表示为：

U_ctrl＝k_np(n_exp-n)+k_ni∫(n_exp-n)

U_ctrl为伺服控制输入电压，k_np、k_ni为控制参数。

b)电机扭矩伺服控制

根据液压动力试验结果，可知样机行走速度为3km/h时候，不同负重条件下对应压力需求不同。

根据液压系统压力和泵的排量，可以计算出电机扭矩T：

$T=\frac{pv}{2\mathrm{\π}}$

p为上表中调整后的扭矩(MPa)；υ为排量(ml/r)；

因此针对不同负重工况下，电机期望扭矩表示为：

T_exp＝interp1(Tab_Texp,m_f)

Tab_Texp为随负重变化的扭矩一维插值表，m_f为负重插值表。

在实际调试过程中，可以根据试穿员承载感受和舒适性需要，可以对电机期望扭矩T_exp进行微调。

电机扭矩控制采用电机输入电流进行控制，表示为：

$I_{ctrl}=\frac{T_{\exp }}{K_e}$

I_ctrl为伺服电机控制输入电流指令，K_e为电机电磁转矩常数。

1.阀控液压缸位移回路设计

针对本发明的液压位置控制系统，将期望的膝关节角度信号通过三角函数关系转化为液压缸的期望位置信号，将安装在膝关节的角度编码器的角度信号转化为当前状态下膝关节的实际角度信号，求出液压缸实际的长度与液压缸的期望位置信号的偏差，作为输入信号，经过伺服阀的放大以及转化作用，同时将骨骼服与人体之间产生的力矩作为外作用力，他们二者的差作为液压缸的输入信号，输出则为液压缸的实时位置，实时位置再讲过三角正余弦定理可以转化为膝关节的角度，依次形成闭环反馈位置控制系统。

(1)不同行走阶段控制器参数设计：

a)全脚支撑阶段控制器设计

$K_{PID}\left(s\right)=(260+100/s)\×\frac{1+0.075s}{1+0.033s}$

在全脚掌支撑即站立的情况下，设计控制器的形式如上，一个控制器设计是否合理是通过开环传递函数的幅值域度、相位域度以及带宽是否满足整个控制系统稳定性要求的。通过开环传递函数的仿真分析，G_m＝28dB＞6dB，Pm＝106°＞60°，wc＝10.4rad/s＝1.7Hz是能达到系统的要求的，同时阶跃响应曲线表明系统能在0.6秒之后达到稳定，响应时间还是相当快的。

b)摆腿动阶段控制器设计

在双腿摆动阶段也就是行走阶段，设计的控制器形式为：

$K_{PID}\left(s\right)=(156+100/s)\×\frac{1+0.225s}{1+0.033s}$

同理，在双腿的摆动阶段整个系统的G_m＝23.8dB＞6dB，Pm＝130°＞60°，带宽wc＝19.9rad/s＝3.1Hz满足系统稳定性要求，阶跃响应虽然比支撑阶段的稳定时间长，但是在1.5秒的时候，也能达到稳定状态，时间上还是满足系统的要求的。

Claims (1)

1.一种用于助力外骨骼系统的控制方法，其特征在于，包括：

根据人体对助力外骨骼系统的依赖程度，将助力外骨骼系统的控制分为粗调控制和精调控制；具体方法首先通过感知系统分析出目前人体的运动状态，根据不同的运动状态，如低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走，通过粗调控制方法，利用电机控制，控制油源压力，以达到不同的运动状态所要求的液压控制量；同时，在粗调控制的基础上，为了更加精确地控制外骨骼的运动姿态，采用精调控制，通过液压缸伸长量调节外骨骼末端肢节的位姿，以达到期望的位姿，最终让外骨骼精确地实现不同的运动状态，所述助力外骨骼系统的动力控制装置为由伺服电机控制的液压泵和由伺服阀控制的液压缸构成，其中，液压泵连接有油箱，伺服电机的输出由油源压力期望值和液压泵输出的油源压力输出值共同调节，伺服电机控制液压泵的输出，液压泵的输出还与伺服阀连接，伺服阀由液压缸期望位移值、油源压力输出值以及液压缸实际位移值共同调节，伺服阀通过流量控制液压缸的位移进而控制助力外骨骼系统；所述的粗调控制对应的是调节油源压力大小，所述的精调控制对应的是调节液压缸的位移大小；则还包括：

a.根据助力外骨骼系统感知装置所采集到的人体运动状态信号，判断当前状态下的人体运动特性，若当前状态下的人体运动特性为轻负载运动，则进入步骤b；若当前状态下的人体运动特性为高负载运动，则进入步骤c；

b.助力外骨骼系统启用粗调控制，具体为：所述人体运动状态信号至少包括低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走；设助力外骨骼系统的有效承载能达到70％，则还包括：

b1.获取液压泵的油源压力期望值，具体方法为：

b11.当人体运动状态信号为低速行走、站立、下蹲或起蹲时，则通过如下公式1计算当前液压泵的油源压力期望值为：

公式1中，m₀为仪器自重，m_f为背部负荷，D是液压缸活塞直径大小，η为膝关节处力臂修正系数，Δp为伺服阀节流压力损失；

背部负荷m_f可以通过初始时刻脚底压力传感器数值进行估算，可通过如下公式2计算：

公式2中F_si为第i个脚底压力传感器数值，ζ为压力传感器误差修正系数；

b12.当人体运动状态信号为高速行走时，则通过如下公式3计算当前液压泵的油源压力期望值为：

公式3中，P_n为额定功率，q^exp为液压缸流量，可通过如下公式4计算：

公式4中，A_p表示液压缸横截面积，为：A_p＝πD²/4；S为液压缸的收缩速率，假设高速行走时，人体单腿一个运动步态周期为T，支撑周期设为一个步态周期60％，设液压缸满行程为L_max＝0.16m，在快速行走时，液压缸位移为一个行程的1/2～1/3，则液压缸收缩速率可通过如下公式5计算：

b2.根据步骤b1中获得的油源压力期望值，通过转速控制器对伺服电机的转速进行调节，从而通过伺服电机控制液压泵来控制油源压力输出值；

c.助力外骨骼系统启用精调控制，具体为：通过如下公式6计算液压缸期望位移值：

公式6中，表示当前膝关节角度变化期望值；Dist1，Dist2以及当前液压缸的期望位置构成了一个三角形，它们分别表示三角边的大腿连接点或者小腿连接点与膝关节轴承的距离。