CN106112985A - 下肢助行机器的外骨骼混合控制系统及方法 - Google Patents

下肢助行机器的外骨骼混合控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种下肢助行机器的外骨骼混合控制系统及方法，该系统包括轨迹生成模块等，所述主控制器模块包括高阻抗控制器模块与自适应控制模块，轨迹生成模块生成下肢外骨骼各关节轨迹信息，并导入到主控制模块中；位置速度反馈模块采集外骨骼各关节的位置及速度信息，反馈到主控制模块中；FSR电路模块通过安装在外骨骼脚底的FSR压力传感器，检测脚底与地面的接触力信息，将此信息已电压的形式发送给控制器决策模块；控制器决策模块根据此电压信息判断是处于摆腿期还是站立期，将此判断结果发送给51单片机模块。本发明切实可行，通过这种混合底层控制器，可提高机器外骨骼系统的控制效果和用户体验。

Description

下肢助行机器的外骨骼混合控制系统及方法
技术领域
本发明涉及助行机器人控制系统及方法，具体地，涉及下肢助行机器的外骨骼混合控制系统及方法。
背景技术
目前，下肢机器外骨骼既可用于瘫痪病人的康复训练，也可用于正常受试者的助行工具，增强运动及负载能力。比如瑞士HOCOMA公司的Locomat，日本安川公司的ReWalk。下肢机器外骨骼关节处的电机为受试者提供较大的辅助力矩，协调各关节的运动。然而大多数下肢机器外骨骼控制器模式单一，人机交互体验差。
经文献检索发现，有一个现存的专利与本发明相似，中国专利公开号CN104797385A，专利名称为：自适应外骨骼、用于控制外骨骼的装置与方法，申请日为2013年12月18日。该发明针对外骨骼设计了可学习外界输入的控制系统。该专利与本发明主要有以下几点不同：一、没有充分利用伺服技术；二、未对系统参数做辨识，以提高学习效果；三、没有针对不同的生物力学任务采用高阻抗控制器或自适应控制器。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种下肢助行机器的外骨骼混合控制系统及方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：1、一种下肢助行机器的外骨骼混合控制系统，其特征在于，所述轨迹生成模块、位置速度反馈模块、FSR电路模块、控制器决策模块、51单片机模块、主控制模块，所述主控制器模块包括高阻抗控制器模块与自适应控制模块，轨迹生成模块生成下肢外骨骼各关节轨迹信息，并导入到主控制模块中；位置速度反馈模块采集外骨骼各关节的位置及速度信息，反馈到主控制模块中；FSR电路模块通过安装在外骨骼脚底的FSR压力传感器，检测脚底与地面的接触力信息，将此信息已电压的形式发送给控制器决策模块；控制器决策模块根据此电压信息判断是处于摆腿期还是站立期，将此判断结果发送给51单片机模块；51单片机模块根据具体结果，通过继电器模块切换主控制模块的工作模式；主控制模块若获知处于站立期，则开启高阻抗控制器模块，若处于摆腿期，则开启自适应控制模块。
优选地，所述轨迹生成模块包括自由度设定子模块、状态变量设定子模块和CPG子模块；其中，自由度设定子模块根据外骨骼的自由度数目而设定；状态变量设定子模块设定CPG子模块中的速度、偏移和幅值等状态变量；CPG子模块最后生成各关节的参考轨迹曲线。
优选地，所述位置速度反馈模块包括脉冲编码器计数子模块和数值差分子模块；其中，脉冲编码器计数子模块获得各关节的位置信息；数值差分子模块获得各关节的速度信息。
优选地，所述FSR电路模块用于检测足底与地面的接触力，包括分别贴在前脚掌的第一压力传感器和脚后跟的第二压力传感器；其中，若第一压力传感器、第二压力传感器都输出低电平，则为摆动期；否则为站立期。
优选地，所述控制器选择模块包括FSR电压采集子模块和决策子模块；其中，FSR电压采集子模块根据所得电压值，判断足底与地面压力大小；决策子模块将最终识别的结果发送给51单片机模块。
优选地，所述51单片机模块包括继电器切换子模块；该模块根据控制器选择模块传来的指令，通过继电器切换子模块将伺服电机切换到相应的工作模式，控制器也调整到对应的控制器。
优选地，所述高阻抗控制器模块包括四区PID子模块和干扰观测器子模块，其中，四区PID子模块作为控制律，完成外骨骼的位置控制人物；干扰观测器子模块估计出外界的干扰，并进行补偿，提升控制器的抗干扰能力，提升控制器的位置追踪效果；此时各关节处的伺服电机工作在速度模式。
优选地，所述自适应控制模块包括模型参考自适应子模块，其中，模型参考自适应子模块检测受试者的运动意图，再根据此意图调整外骨骼的运动，使得受试者可以更自如主动地操作外骨骼，提升用户体验；此时各关节处的伺服电机工作在力矩模式。
优选地，所述模型参考自适应子模块通过系统辨识方法得到初始参数。
本发明还提供一种下肢助行机器的外骨骼混合方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将伺服电机通过51单片机模块切换到速度模式下，根据伺服电机内部的理论模型计算出四区PID子模块和干扰观测器子模块中的相关参数并进行设定；
步骤二：将外骨骼结构穿到受试者身上，通过魔术贴与低温热塑板制成的外壳，将人腿与外骨骼绑紧；并对齐外骨骼与人体的下肢各关节，保证用户的舒适性；
步骤三：将一侧腿悬空，模拟行走中摆腿的情形，通过前述的模型辨识的方法，得到模型参考自适应子模块的相关参数并进行设定；
步骤四:根据外骨骼自由度设定子模块，根据康复任务设定状态变量设定子模块，开启CPG子模块，生成参考轨迹信息；将轨迹生成模块的输出导入到主控制模块中；
步骤五：设定位置速度反馈模块中编码器脉冲计数子模块与数值差分子模块的相关参数，将位置速度反馈模块的信息反馈到主控制模块中；
步骤六：将FSR电路模块中的第一压力传感器与第二压力传感器贴在受试者脚底上；将传感器的输出接到控制器决策模块中；
步骤七：开启控制器决策模块与51单片机模块，完成剩余模块的连接部分，受试即可开始使用外骨骼辅助行走。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明针对行走步态周期中不同的生物力学任务，配置有不同的控制器，可实现更好的人机交互，它有以下优点：
一，充分利用伺服技术，在站立期，由于伺服电机工作在速度模式，可建立完整的系统模型，使得高阻抗控制器的参数可通过计算和仿真获得；在摆动期，利用伺服电机的力矩模式，可粗略辨识出系统的参数，增强自适应控制器的学习效果。
二，以生物力学任务作为主控制器模块选择的设计标准，站立期由于外界与受试者作用力很大，且无法预测，故伺服电机工作在高阻抗的速度模式，消除外界不确定因素的干扰；在摆动期，伺服电机工作在低阻抗的力矩模式，受试者可主动地改变外骨骼运动模式。
三，整个过程各关节轨迹保持耦合，并能平滑切换，CPG子模块用于生成周期性的节律运动，可保证各自由度间的耦合关系，并且在控制器切换时，轨迹依然能平滑变化。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的具体实施框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的下肢助行机器的外骨骼混合控制系统，针对行走步态周期中不同的生物力学任务，配置有不同的控制器。图1展示了整体发明控制框图，本发明包括轨迹生成模块1、位置速度反馈模块2、FSR(反馈移位寄存器)电路模块3、控制器决策模块4、51单片机模块5、主控制模块6，所述主控制器模块6包括高阻抗控制器模块7与自适应控制模块8，轨迹生成模块1生成下肢外骨骼各关节轨迹信息，并导入到主控制模块6中；位置速度反馈模块2采集外骨骼各关节的位置及速度信息，反馈到主控制模块6中；FSR电路模块3通过安装在外骨骼脚底的FSR压力传感器，检测脚底与地面的接触力信息，将此信息已电压的形式发送给控制器决策模块4；控制器决策模块4根据此电压信息判断是处于摆腿期还是站立期，将此判断结果发送给51单片机模块5；51单片机模块5根据具体结果，通过继电器模块切换主控制模块6的工作模式；主控制模块6若获知处于站立期，则开启高阻抗控制器模块7，若处于摆腿期，则开启自适应控制模块8。
本发明下肢助行机器的外骨骼混合控制系统针对行走过程中不同的生物力学任务采用高阻抗控制器或自适应控制器，足底开关判断处于站立期还是摆动期；其中，当处于站立期时，启动高阻抗控制器；当处于摆动期时，通过51单片机模块切换电机工作模式到力矩模式，启动自适应控制器。下肢助行机器的外骨骼有左右下肢的髋关节、左右下肢的膝关节四个自由度，各关节分别配有伺服电机。
所述轨迹生成模块1包括自由度设定子模块11、状态变量设定子模块12和CPG子模块13；其中，自由度设定子模块11根据外骨骼的自由度数目而设定；状态变量设定子模块12设定CPG子模块中的速度、偏移和幅值等状态变量；CPG(中枢模式发生器)子模块13最后生成各关节的参考轨迹曲线。CPG子模块可保证关节轨迹的连续平缓，保证用户的安全。
所述位置速度反馈模块2包括脉冲编码器计数子模块21和数值差分子模块22；其中，脉冲编码器计数子模块21获得各关节的位置信息；数值差分子模块22获得各关节的速度信息。
所述FSR电路模块3用于检测足底与地面的接触力，包括分别贴在前脚掌的第一压力传感器和脚后跟的第二压力传感器；其中，若第一压力传感器、第二压力传感器都输出低电平，则为摆动期；否则为站立期。
所述控制器选择模块4包括FSR电压采集子模块41和决策子模块42；其中，FSR电压采集子模块41根据所得电压值，判断足底与地面压力大小；决策子模块42将最终识别的结果发送给51单片机模块5。
所述51单片机模块5包括继电器切换子模块51；该模块根据控制器选择模块4传来的指令，通过继电器切换子模块51将伺服电机切换到相应的工作模式，控制器也调整到对应的控制器。
其中，当处于站立期时，启动高阻抗控制器模块7；当处于摆动期时，切换到自适应控制模块8。
所述高阻抗控制器模块7包括四区PID(比例积分微分)子模块A1和干扰观测器子模块A2。其中，四区PID子模块A1作为控制律，完成外骨骼的位置控制人物；干扰观测器子模块A2估计出外界的干扰，并进行补偿，提升控制器的抗干扰能力，提升控制器的位置追踪效果；此时各关节处的伺服电机工作在速度模式，有利于提高整个系统的阻抗，提升位置控制精度。
所述自适应控制模块8包括模型参考自适应子模块B1。其中，模型参考自适应子模块B1检测受试者的运动意图，再根据此意图调整外骨骼的运动，使得受试者可以更自如主动地操作外骨骼，提升用户体验；此时各关节处的伺服电机工作在力矩模式，有利于减小整个系统的阻抗，提升柔顺性，使受试者可以依据自我意愿控制外骨骼运动。
所述模型参考自适应子模块B1通过系统辨识方法得到初始参数。所述系统辨识方法是通过如下方式实现的：伺服电机工作在力矩模式下，通过不同程度的阶跃响应完成对系统参数的粗略辨识；系统辨识在只有伺服电机下完成；这种系统辨识的方法，既简单可行，方便具体操作，又有不错的辨识效果。
所述模型参考自适应子模块B1采用相对阶为2的Narendra方法，并加入重力矩及摩擦力矩补偿。其中，此时模型参考自适应模块初始参数通过系统辨识的方法获得；这种控制方式可提高控制器的控制效果，使受试者操作外骨骼更加自如。
所述下肢助行机器的外骨骼混合控制系统通过CPG子模块13生成各关节轨迹；其中，站立期末的检测角度值作为摆动期的初始值，摆动期末的检测角度值作为站立期的初始值。
本发明下肢助行机器的外骨骼混合方法包括如下步骤：
步骤一：将伺服电机通过51单片机模块5切换到速度模式下，根据伺服电机内部的理论模型计算出四区PID子模块A1和干扰观测器子模块A2中的相关参数并进行设定。
步骤二：将外骨骼结构穿到受试者身上，通过魔术贴与低温热塑板制成的外壳，将人腿与外骨骼绑紧；并对齐外骨骼与人体的下肢各关节，保证用户的舒适性。
步骤三：将一侧腿悬空，模拟行走中摆腿的情形，通过前述的模型辨识的方法，得到模型参考自适应子模块B1的相关参数并进行设定。
步骤四:根据外骨骼自由度设定子模块11，根据康复任务设定状态变量设定子模块12，开启CPG子模块13，生成参考轨迹信息；将轨迹生成模块1的输出导入到主控制模块6中。
步骤五：设定位置速度反馈模块2中编码器脉冲计数子模块21与数值差分子模块22的相关参数，将位置速度反馈模块2的信息反馈到主控制模块6中。
步骤六：将FSR电路模块3中的第一压力传感器与第二压力传感器贴在受试者脚底上；将传感器的输出接到控制器决策模块4中。
步骤七：开启控制器决策模块4与51单片机模块5，完成剩余模块的连接部分，受试即可开始使用外骨骼辅助行走。
本发明切实可行，通过这种混合底层控制器(高阻抗控制器和自适应控制器)，为不同的步态任务配不同的控制器，有助于完成对外骨骼更好的控制，可提高机器外骨骼系统的控制效果和用户体验。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种下肢助行机器的外骨骼混合控制系统，其特征在于，所述下肢助行机器的外骨骼混合控制系统包括轨迹生成模块、位置速度反馈模块、FSR电路模块、控制器决策模块、51单片机模块、主控制模块，所述主控制器模块包括高阻抗控制器模块与自适应控制模块，轨迹生成模块生成下肢外骨骼各关节轨迹信息，并导入到主控制模块中；位置速度反馈模块采集外骨骼各关节的位置及速度信息，反馈到主控制模块中；FSR电路模块通过安装在外骨骼脚底的FSR压力传感器，检测脚底与地面的接触力信息，将此信息已电压的形式发送给控制器决策模块；控制器决策模块根据此电压信息判断是处于摆腿期还是站立期，将此判断结果发送给51单片机模块；51单片机模块根据具体结果，通过继电器模块切换主控制模块的工作模式；主控制模块若获知处于站立期，则开启高阻抗控制器模块，若处于摆腿期，则开启自适应控制模块。
2.根据权利要求1所述的下肢助行机器的外骨骼混合控制系统，其特征在于，所述轨迹生成模块包括自由度设定子模块、状态变量设定子模块和CPG子模块；其中，自由度设定子模块根据外骨骼的自由度数目而设定；状态变量设定子模块设定CPG子模块中的速度、偏移和幅值等状态变量；CPG子模块最后生成各关节的参考轨迹曲线。
3.根据权利要求1所述的下肢助行机器的外骨骼混合控制系统，其特征在于，所述位置速度反馈模块包括脉冲编码器计数子模块和数值差分子模块；其中，脉冲编码器计数子模块获得各关节的位置信息；数值差分子模块获得各关节的速度信息。
4.根据权利要求3所述的下肢助行机器的外骨骼混合控制系统，其特征在于，所述FSR电路模块用于检测足底与地面的接触力，包括分别贴在前脚掌的第一压力传感器和脚后跟的第二压力传感器；其中，若第一压力传感器、第二压力传感器都输出低电平，则为摆动期；否则为站立期。
5.根据权利要求1所述的下肢助行机器的外骨骼混合控制系统，其特征在于，所述控制器选择模块包括FSR电压采集子模块和决策子模块；其中，FSR电压采集子模块根据所得电压值，判断足底与地面压力大小；决策子模块将最终识别的结果发送给51单片机模块。
6.根据权利要求1所述的下肢助行机器的外骨骼混合控制系统，其特征在于，所述51单片机模块包括继电器切换子模块；该模块根据控制器选择模块传来的指令，通过继电器切换子模块将伺服电机切换到相应的工作模式，控制器也调整到对应的控制器。
7.根据权利要求1所述的下肢助行机器的外骨骼混合控制系统，其特征在于，所述高阻抗控制器模块包括四区PID子模块和干扰观测器子模块，其中，四区PID子模块作为控制律，完成外骨骼的位置控制人物；干扰观测器子模块估计出外界的干扰，并进行补偿，提升控制器的抗干扰能力，提升控制器的位置追踪效果；此时各关节处的伺服电机工作在速度模式。
8.根据权利要求1所述的下肢助行机器的外骨骼混合控制系统，其特征在于，所述自适应控制模块包括模型参考自适应子模块，其中，模型参考自适应子模块检测受试者的运动意图，再根据此意图调整外骨骼的运动，使得受试者更自如主动地操作外骨骼，提升用户体验；此时各关节处的伺服电机工作在力矩模式。
9.根据权利要求8所述的下肢助行机器的外骨骼混合控制系统，其特征在于，所述模型参考自适应子模块通过系统辨识方法得到初始参数。
10.一种下肢助行机器的外骨骼混合方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将伺服电机通过51单片机模块切换到速度模式下，根据伺服电机内部的理论模型计算出四区PID子模块和干扰观测器子模块中的相关参数并进行设定；
步骤二：将外骨骼结构穿到受试者身上，通过魔术贴与低温热塑板制成的外壳，将人腿与外骨骼绑紧；并对齐外骨骼与人体的下肢各关节，保证用户的舒适性；
步骤三：将一侧腿悬空，模拟行走中摆腿的情形，通过前述的模型辨识的方法，得到模型参考自适应子模块的相关参数并进行设定；
步骤四:根据外骨骼自由度设定子模块，根据康复任务设定状态变量设定子模块，开启CPG子模块，生成参考轨迹信息；将轨迹生成模块的输出导入到主控制模块中；
步骤五：设定位置速度反馈模块中编码器脉冲计数子模块与数值差分子模块的相关参数，将位置速度反馈模块的信息反馈到主控制模块中；
步骤六：将FSR电路模块中的第一压力传感器与第二压力传感器贴在受试者脚底上；将传感器的输出接到控制器决策模块中；
步骤七：开启控制器决策模块与51单片机模块，完成剩余模块的连接部分，受试即可开始使用外骨骼辅助行走。
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