CN106325273A - 助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统及其控制方法，其特征是包括传感器模块、信号采集与处理模块、步态切换运动控制模块、电机驱动模块；传感器包括：惯性测量单元、足底压力传感器和电机编码器。本发明能在满足外骨骼机器人负载重物情况下，规划各相位步态下髋关节和膝关节电机助力力矩的输出和各相位步态之间的流畅切换，达到负重外骨骼装备肢体动作的协调性和灵活性的目的。

Description

助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于机器人领域，具体的说是一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统及其控制方法。

背景技术

助力外骨骼机器人是一种穿戴方式的下肢步行仿生机械腿，它以人为中心，通过传感器采集人体运动的趋势，在助力方面给予与人相同步态方向的关节助力，协助负重情况下人走路的能力和速度；传统的助力外骨骼机器人在机械结构与人体运动的协调性及负载重物情况下运动的灵活性都存在缺陷。

中国专利公开号CN103315834B发明一种穿戴式下肢助力外骨骼，它通过仿生智能控制程序控制电机，实现穿戴式下肢助力外骨骼的行走步态，该发明用于下肢助力和下肢康复领域，但该专利并没有对一些复杂突发情况下保持行走或作出应急处理部分进行描述，因此，该装置并不能满足负重情况下步态协调控制情况。

发明内容

本发明针对现有外骨骼机器人在负重情况下肢体运动与机构运动协调性和灵活性的不足之处，提供一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统及其控制方法，以期能在满足外骨骼机器人负载重物情况下，规划各相位步态下髋关节和膝关节电机助力力矩的输出和各相位步态之间的流畅切换，达到负重外骨骼装备肢体动作的协调性和灵活性的目的。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统的特点是包括：传感器模块、直流伺服电机、信号采集与处理模块、步态切换运动控制模块、电机驱动模块；所述传感器包括：惯性测量单元、足底压力传感器、电机编码器；

所述惯性测量单元分别设置在穿戴者左腿大腿、左腿小腿、右腿大腿、右腿小腿和腰部，用于获得穿戴者运动时左右大小腿的角速度值和姿态角度值，包括：左腿大腿角速度值、左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值、右腿小腿角速度值、腰部俯仰角度值、左腿大腿俯仰角度值、左腿小腿俯仰角度值、右腿大腿俯仰角度值、右腿小腿俯仰角度值，并提供给所述信号采集与处理模块；

所述足底压力传感器设置在所述外骨骼装置的足部，并用于采集所述外骨骼装置的足部压力值，包括：左足大脚趾压力值、左足小脚趾压力值、左足脚跟压力值、右足大脚趾压力值、右足小脚趾压力值、右足脚跟压力值，并提供给所述信号采集与处理模块；

所述电机编码器设置在所述外骨骼装置的左右腿髋关节和膝关节处，并用于采集所述外骨骼装置的左右腿髋关节和膝关节的直流伺服电机编码器值，包括：左腿髋关节直流伺服电机编码器值、左腿膝关节直流伺服电机编码器值、右腿髋关节直流伺服电机编码器值、右腿膝关节直流伺服电机编码器值，并提供给所述信号采集与处理模块；由所述信号采集与处理模块通过所述左右腿髋关节和膝关节的直流伺服电机编码器值分别获得左右腿髋关节和膝关节的变化角度值，包括：外骨骼装置左腿髋关节变化角度值、外骨骼装置左腿膝关节变化角度值、外骨骼装置右腿髋关节变化角度值、外骨骼装置右腿膝关节变化角度值；

所述信号采集与处理模块将所述足部压力值、左右大小腿的角速度值和姿态角度值、左右腿髋关节和膝关节的直流伺服电机编码器值及其变化角度值分别传递给所述步态切换运动控制模块进行逻辑判断，获得逻辑判断结果，包括：负重在左右脚的分布、外骨骼装置与穿戴者身体运动契合度参数和当前左右腿所属的步态相位；再根据所述逻辑判断结果与所述左右大小腿的角速度值一起进行计算，获得左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值并传递给所述电机驱动模块；所述左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值包括：左腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、左腿膝关节直流伺服电机输出力矩值、右腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、右腿膝关节直流伺服电机输出力矩值；

所述电机驱动模块将所述左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值转化为驱动器指令，用于控制所述直流伺服电机驱动所述外骨骼装置进行多相位步态切换。

本发明一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、获取左腿髋关节直流伺服电机编码器值、左腿膝关节直流伺服电机编码器值、右腿髋关节直流伺服电机编码器值、右腿膝关节直流伺服电机编码器值，并进行脉冲与角度换算关系计算，得到左右腿髋关节和膝关节的变化角度值，包括：外骨骼装置左腿髋关节变化角度值、外骨骼装置左腿膝关节变化角度值、外骨骼装置右腿髋关节变化角度值、外骨骼装置右腿膝关节变化角度值；

步骤2、获取穿戴外骨骼装置的足部压力值，包括：左足大脚趾压力值、左足小脚趾压力值、左足脚跟压力值、右足大脚趾压力值、右足小脚趾压力值、右足脚跟压力值，并进行计算，得到左右足各自的负重压力值；

步骤3、获取穿戴外骨骼装置运动时左右大小腿的角速度值，包括：左腿大腿角速度值、左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值、右腿小腿角速度值，并与所述左右腿髋关节和膝关节的变化角度值一起进行计算，获得外骨骼装置与穿戴者身体运动契合度参数；

步骤4、获取穿戴外骨骼装置运动时左右大小腿和腰部的姿态角度值，包括：左腿大腿俯仰角度值、左腿小腿俯仰角度值、右腿大腿俯仰角度值、右腿小腿俯仰角度值、腰部俯仰角度值，并与所述足部压力值一起进行逻辑判断，获得当前左右腿所属的步态相位；

步骤5、对所述左右大小腿的角速度值、当前左右腿所属的步态相位、外骨骼装置当前姿态、负重在左右脚的分布进行计算，得到左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值，包括：左腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、左腿膝关节直流伺服电机输出力矩值、右腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、右腿膝关节直流伺服电机输出力矩值，并用于控制所述外骨骼装置进行多相位步态切换。

本发明所述的多相位步态切换控制方法的特点也在于，

所述步骤1中，脉冲与角度换算关系的计算方法为：

各关节变化角度值＝编码器当前脉冲数/(电机转动一圈脉冲数×减速器减速比)。

所在步骤2中，左右足各自负重压力值的计算方法为：

左足压力值＝(左足大脚趾压力权重系数×左足大脚趾压力值+左足小脚趾压力权重系数×左足小脚趾压力值+左足脚跟压力权重系数×左足脚跟压力值)；

右足压力值＝(右足大脚趾压力权重系数×右足大脚趾压力值+右足小脚趾压力权重系数×右足小脚趾压力值+右足脚跟压力权重系数×右足脚跟压力值)；

根据空载和负重两种情况下分别计算左足压力值和右足压力值，则左脚负重＝负重左足压力值-空载左足压力值；右脚负重＝负重右足压力值-空载右足压力值。

所述步骤3中，外骨骼装置与穿戴者身体运动契合度参数计算方法为：

左腿髋关节契合度参数＝左腿大腿角速度值/外骨骼装置左腿髋关节变化角度值；

左腿膝关节契合度参数＝左腿小腿角速度值/外骨骼装置左腿膝关节变化角度值；

右腿髋关节契合度参数＝右腿大腿角速度值/外骨骼装置右腿髋关节变化角度值；

右腿膝关节契合度参数＝右腿小腿角速度值/外骨骼装置右腿膝关节变化角度值。

所述步骤4中的逻辑判断是按如下过程进行：

步骤4.1、判断腰部俯仰角度值是否大于起步动作触发的角度阈值；若大于，则执行步骤4.3；否则，执行步骤4.2；

步骤4.2、保持外骨骼装置当前的姿态，并执行步骤4.1；

步骤4.3、判断左腿大腿角速度值、左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值、右腿小腿角速度值是否满足条件1或条件2或条件3；若不满足条件1、条件2或条件3，则执行步骤4.2；

条件1：若左腿大腿角速度值和左腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值，则判断右足足底压力值与左足足底压力值的差值，若差值为正，且正值大于起步触发的压力差设定阈值，则执行步骤4.5；

条件2：若右腿大腿角速度值和右腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值，则判断左足足底压力值与右足足底压力值的差值，若差值为正，且正值大于起步触发的压力差设定阈值，则执行步骤4.4；

条件3：若左腿大腿角速度值和左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值和右腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值，则执行步骤4.6；

步骤4.4、执行右腿摆动相位，左腿支撑相位的步态，执行结束后转至步骤4.7；

在当前相位下，各直流伺服电机力矩输出值计算方法为：

左腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb1为：

$T_{xb1}=k_{vb1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b1}+k_{sb1}{T}_{sb1}---\left(1\right)$

式(1)中，k_vb1为所述左腿髋关节契合度参数，为左腿大腿的角速度值，k_sb1为满足左腿支撑负重情况下的髋关节助力调节系数，T_sb1为左腿髋关节静止下最小输出力矩；

左腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs1为：

$T_{xs1}=k_{vs1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s1}+k_{ss1}{T}_{ss1}---\left(2\right)$

式(2)中，k_vs1为所述左腿膝关节契合度参数，为左腿小腿的角速度值，k_ss1为满足左腿支撑负重情况下的膝关节助力调节系数，T_ss1为左腿膝关节静止下最小输出力矩；

右腿髋关节直流伺服电机输输出力矩T_xb2为：

$T_{xb2}=k_{vb2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b2}+k_{wb2}{T}_{wb2}---\left(3\right)$

式(3)中，k_vb2为所述右腿髋关节契合度参数，为右腿大腿的角速度值，k_wb2为右腿摆动情况下的髋关节助力调节系数，T_wb2为右腿髋关节静止下最小输出力矩；

右腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs2为：

$T_{xs2}=k_{vs2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s2}+k_{ws2}{T}_{ws2}---\left(4\right)$

式(4)中，k_vs2为所述右腿膝关节契合度参数，为右腿小腿的角速度值，k_ws2为右腿摆动情况下的膝关节助力调节系数，T_ws2为右腿膝关节静止下最小输出力矩；

步骤4.5、执行左腿摆动相位，右腿支撑相位的步态；执行结束后，转至步骤4.8；

在当前相位下，各直流伺服电机力矩输出值计算方法为：

左腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb1为：

$T_{xb1}=k_{vb1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b1}+k_{wb1}{T}_{wb1}---\left(5\right)$

式(5)中，k_wb1为左腿摆动情况下的髋关节助力调节系数，T_wb1为左腿髋关节静止下最小输出力矩；

左腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs1为：

$T_{xs1}=k_{vs1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s1}+k_{ws1}{T}_{ws1}---\left(6\right)$

式(6)中，k_ws1为左腿摆动情况下的膝关节助力调节系数，T_ws1为左腿膝关节静止下最小输出力矩；

右腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb2为：

$T_{xb2}=k_{vb2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b2}+k_{sb2}{T}_{sb2}---\left(7\right)$

式(7)中，k_sb2为满足右腿支撑负重情况下的髋关节助力调节系数，T_sb2为右腿髋关节静止下最小输出力矩；

右腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs2为：

$T_{xs2}=k_{vs2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s2}+k_{ss2}{T}_{ss2}---\left(8\right)$

式(8)中，k_ss2为满足右腿支撑负重情况下的膝关节助力调节系数，T_ss2为右腿膝关节静止下最小输出力矩；

步骤4.6、执行原地站立到下蹲或下蹲到站立的运动相位该，执行结束后转至步骤4.1；

在当前相位下，各直流伺服电机力矩输出值计算方法为：

左腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb1为：

$T_{xb1}=k_{vb1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b1}+k_{sb1}{T}_{sb1}---\left(1\right)$

左腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs1为：

$T_{xs1}=k_{vs1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s1}+k_{ss1}{T}_{ss1}---\left(2\right)$

右腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb2为：

$T_{xb2}=k_{vb2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b2}+k_{sb2}{T}_{sb2}---\left(7\right)$

右腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs2为：

$T_{xs2}=k_{vs2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s2}+k_{ss2}{T}_{ss2}---\left(8\right)$

步骤4.7：判断是否同时满足条件4、条件5、条件6和条件7；若同时满足，则执行步骤4.5；若有一项条件不满足，则执行步骤4.2；

条件4：腰部俯仰角度值大于起步动作触发的角度阈值；

条件5：左腿大腿角速度值和左腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值；

条件6：右足足底压力值与左足足底压力值的差值为正；

条件7：右足足底压力值与左足足底压力值的差值大于起步触发的压力差设定阈值；

步骤4.8：判断是否同时满足条件8、条件9、条件10和条件11；若同时满足，则执行步骤4.4；若有一项条件不满足，则执行步骤4.2；

条件8：腰部俯仰角度值大于起步动作触发的角度阈值；

条件9：右腿大腿角速度值和右腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值；

条件10：左足足底压力值与右足足底压力值的差值为正；

条件11：左足足底压力值与右足足底压力值的差值大于起步触发的压力差设定阈值。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明系统通过采集加速度及足底压力传感器来获得步态切换运动控制模块所需的信号，通过电机驱动模块接收步态切换运动控制模块计算的各个电机的力矩输出值，并驱动电机实现运动，从而能使穿戴者在负载远超普通人体负重的情况下，仍能以正常姿态进行行走，为特种行业作业人员负重作业提高工作效率，更有效保护作业人员的人身安全。

2、本发明方法对当前相位和步态进行意图识别和分流处理，根据人体负重情况在线调整控制系统的力矩输出模型，从而使人体行走的装备助力具备预判性，解决了负重状态下，人体步行活动的灵敏度，提高了外骨骼装备的助力效果。

3、本发明通过关节契合度系数来将负重情况下的外骨骼装备与人体肢体运动进行协调性处理，使外骨骼装备能更好执行人体动作的意图。

4、本发明通过对各关节的助力调节系数的设置，使关节在负重情况下的对助力的大小进行调节，可灵活根据负重情况调节助力，使关节运动更加灵活。

5、本发明中关节输出力矩的在线计算方法与传统的输出力矩计算需要求解雅各比矩阵伪逆不同，仅仅为基本运算，就能满足在线实时计算的需求。

附图说明

图1为本发明控制系统结构框架设计图；

图2为本发明外骨骼机器人多相位步态切换控制算法流程图。

具体实施方式

本实施例中，一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统和控制方法，是当外骨骼装备加载负重后，对行走的相位步态进行意图识别并进行分流处理，获得双腿髋关节电机和膝关节电机的输出力矩，通过契合度系数和助力调节系数来调整外骨骼装备与人体动作的协调性和灵活性。具体的说，如图1所示，一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统包括：传感器模块、直流伺服电机、传感器信号采集与处理模块、步态切换运动控制模块、电机驱动模块、CAN总线网络和工业PC机；并通过给各关节直流伺服电机输出指定力矩来协调外骨骼装备负重情况下的行动。传感器包括：惯性测量单元、足底压力传感器、电机编码器；电机编码器可获取当前外骨骼装置的当前姿态；

惯性测量单元分别设置在穿戴者左腿大腿、左腿小腿、右腿大腿、右腿小腿和腰部，用于获得穿戴者运动时左右大小腿的角速度值和姿态角度值，包括：左腿大腿角速度值、左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值、右腿小腿角速度值、腰部俯仰角度值、左腿大腿俯仰角度值、左腿小腿俯仰角度值、右腿大腿俯仰角度值、右腿小腿俯仰角度值，并提供给信号采集与处理模块；

足底压力传感器设置在外骨骼装置的足部，并用于采集外骨骼装置的足部压力值，包括：左足大脚趾压力值、左足小脚趾压力值、左足脚跟压力值、右足大脚趾压力值、右足小脚趾压力值、右足脚跟压力值，并提供给信号采集与处理模块；

电机编码器设置在外骨骼装置的左右腿髋关节和膝关节处，并用于采集外骨骼装置的左右腿髋关节和膝关节的直流伺服电机编码器值，包括：左腿髋关节直流伺服电机编码器值、左腿膝关节直流伺服电机编码器值、右腿髋关节直流伺服电机编码器值、右腿膝关节直流伺服电机编码器值，并提供给信号采集与处理模块；由信号采集与处理模块通过左右腿髋关节和膝关节的直流伺服电机编码器值分别获得左右腿髋关节和膝关节的变化角度值，包括：外骨骼装置左腿髋关节变化角度值、外骨骼装置左腿膝关节变化角度值、外骨骼装置右腿髋关节变化角度值、外骨骼装置右腿膝关节变化角度值；外骨骼机器人助力是基于人体穿戴外骨骼装置后，由佩戴在人体上的姿态传感器进行运动检测，由此计算外骨骼装备的关节力输出，来驱动装备进行动作的。

信号采集与处理模块将足部压力值、左右大小腿的角速度值和姿态角度值、左右腿髋关节和膝关节的直流伺服电机编码器值及其变化角度值分别传递给步态切换运动控制模块进行逻辑判断，获得逻辑判断结果，包括：负重在左右脚的分布、外骨骼装置与穿戴者身体运动契合度参数和当前左右腿所属的步态相位；其中，负重在左右脚的分布是指在负重情况下，计算左足和右足分别受到的负重的重力值。外骨骼装置与穿戴者身体运动契合度参数是指人体在运动时，外骨骼装置结构运动与穿戴者人体运动髋关节、膝关节的滞后或超前的比率值。当前左右腿所属的步态相位是指步态的摆动相、支撑相和初始站立姿态；

信号采集与处理模块再根据逻辑判断结果与左右大小腿的角速度值一起进行计算，获得左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值并传递给电机驱动模块；左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值包括：左腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、左腿膝关节直流伺服电机输出力矩值、右腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、右腿膝关节直流伺服电机输出力矩值；

电机驱动模块将左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值转化为驱动器指令，用于控制直流伺服电机驱动外骨骼装置进行多相位步态切换。

本实施例中，一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、获取左腿髋关节直流伺服电机编码器值、左腿膝关节直流伺服电机编码器值、右腿髋关节直流伺服电机编码器值、右腿膝关节直流伺服电机编码器值，并进行脉冲与角度换算关系计算，得到左右腿髋关节和膝关节的变化角度值，包括：外骨骼装置左腿髋关节变化角度值、外骨骼装置左腿膝关节变化角度值、外骨骼装置右腿髋关节变化角度值、外骨骼装置右腿膝关节变化角度值；具体的说，脉冲与角度换算关系的计算方法为：

各关节变化角度值＝编码器当前脉冲数/(电机转动一圈脉冲数×减速器减速比)。

步骤2、获取穿戴外骨骼装置但不额外负重情况下的足部压力值，包括：左足大脚趾压力值、左足小脚趾压力值、左足脚跟压力值、右足大脚趾压力值、右足小脚趾压力值、右足脚跟压力值，并进行计算，得到左右足各自的负重压力值；具体的说，左右足各自负重压力值的计算方法为：

左足压力值＝(左足大脚趾压力权重系数×左足大脚趾压力值+左足小脚趾压力权重系数×左足小脚趾压力值+左足脚跟压力权重系数×左足脚跟压力值)；

右足压力值＝(右足大脚趾压力权重系数×右足大脚趾压力值+右足小脚趾压力权重系数×右足小脚趾压力值+右足脚跟压力权重系数×右足脚跟压力值)；

根据空载和负重两种情况下分别计算左足压力值和右足压力值，则左脚负重＝负重左足压力值-空载左足压力值；右脚负重＝负重右足压力值-空载右足压力值。

步骤3、获取穿戴外骨骼装置运动时左右大小腿的角速度值，包括：左腿大腿角速度值、左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值、右腿小腿角速度值，并与左右腿髋关节和膝关节的变化角度值一起进行计算，获得外骨骼装置与穿戴者身体运动契合度参数；具体的说，外骨骼装置与穿戴者身体运动契合度参数计算方法为：

左腿髋关节契合度参数＝左腿大腿角速度值/外骨骼装置左腿髋关节变化角度值；

左腿膝关节契合度参数＝左腿小腿角速度值/外骨骼装置左腿膝关节变化角度值；

右腿髋关节契合度参数＝右腿大腿角速度值/外骨骼装置右腿髋关节变化角度值；

右腿膝关节契合度参数＝右腿小腿角速度值/外骨骼装置右腿膝关节变化角度值。

步骤4、获取穿戴外骨骼装置运动时左右大小腿和腰部的姿态角度值，包括：左腿大腿俯仰角度值、左腿小腿俯仰角度值、右腿大腿俯仰角度值、右腿小腿俯仰角度值、腰部俯仰角度值，并与足部压力值一起进行逻辑判断，获得当前左右腿所属的步态相位；

具体的说，如图2所示，逻辑判断是按如下过程进行：

步骤4.1、判断腰部俯仰角度值是否大于起步动作触发的角度阈值Aw1；若大于，则执行步骤4.3；否则，执行步骤4.2。

步骤4.2、保持外骨骼装置当前的姿态，并执行步骤4.1；

步骤4.3、判断左腿大腿角速度值、左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值、右腿小腿角速度值是否满足条件1或条件2或条件3；若不满足条件1、条件2或条件3，则执行步骤4.2；

条件1：若左腿大腿角速度值和左腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值Twb1，则判断右足足底压力值与左足足底压力值的差值，若差值为正，且正值大于起步触发的压力差设定阈值Pdb，则执行步骤4.5；

条件2：若右腿大腿角速度值和右腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值Twb2，则判断左足足底压力值与右足足底压力值的差值，若差值为正，且正值大于起步触发的压力差设定阈值Pdb，则执行步骤4.4；

条件3：若左腿大腿角速度值和左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值和右腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值Twb3，则执行步骤4.6；

步骤4.4、执行右腿摆动相位，左腿支撑相位的步态，执行结束后转至步骤4.7；

在当前相位下，各直流伺服电机力矩输出值计算方法为：

左腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb1为：

$T_{xb1}=k_{vb1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b1}+k_{sb1}{T}_{sb1}---\left(1\right)$

式(1)中，k_vb1为左腿髋关节契合度参数，为左腿大腿的角速度值，k_sb1为满足左腿支撑负重情况下的髋关节助力调节系数，T_sb1为左腿髋关节静止下最小输出力矩；

左腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs1为：

$T_{xs1}=k_{vs1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s1}+k_{ss1}{T}_{ss1}---\left(2\right)$

式(2)中，k_vs1为左腿膝关节契合度参数，为左腿小腿的角速度值，k_ss1为满足左腿支撑负重情况下的膝关节助力调节系数，T_ss1为左腿膝关节静止下最小输出力矩；

右腿髋关节直流伺服电机输输出力矩T_xb2为：

$T_{xb2}=k_{vb2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b2}+k_{wb2}{T}_{wb2}---\left(3\right)$

式(3)中，k_vb2为右腿髋关节契合度参数，为右腿大腿的角速度值，k_wb2为右腿摆动情况下的髋关节助力调节系数，T_wb2为右腿髋关节静止下最小输出力矩；

右腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs2为：

$T_{xs2}=k_{vs2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s2}+k_{ws2}{T}_{ws2}---\left(4\right)$

式(4)中，k_vs2为右腿膝关节契合度参数，为右腿小腿的角速度值，k_ws2为右腿摆动情况下的膝关节助力调节系数，T_ws2为右腿膝关节静止下最小输出力矩；

步骤4.5、执行左腿摆动相位，右腿支撑相位的步态；执行结束后，转至步骤4.8；

在当前相位下，各直流伺服电机力矩输出值计算方法为：

左腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb1为：

$T_{xb1}=k_{vb1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b1}+k_{wb1}{T}_{wb1}---\left(5\right)$

式(5)中，k_wb1为左腿摆动情况下的髋关节助力调节系数，T_wb1为左腿髋关节静止下最小输出力矩；

左腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs1为：

$T_{xs1}=k_{vs1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s1}+k_{ws1}{T}_{ws1}---\left(6\right)$

式(6)中，k_ws1为左腿摆动情况下的膝关节助力调节系数，T_ws1为左腿膝关节静止下最小输出力矩；

右腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb2为：

$T_{xb2}=k_{vb2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b2}+k_{sb2}{T}_{sb2}---\left(7\right)$

式(7)中，k_sb2为满足右腿支撑负重情况下的髋关节助力调节系数，T_sb2为右腿髋关节静止下最小输出力矩；

右腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs2为：

$T_{xs2}=k_{vs2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s2}+k_{ss2}{T}_{ss2}---\left(8\right)$

式(8)中，k_ss2为满足右腿支撑负重情况下的膝关节助力调节系数，T_ss2为右腿膝关节静止下最小输出力矩；

步骤4.6、执行原地站立到下蹲或下蹲到站立的运动相位该，执行结束后转至步骤4.1；

在当前相位下，各直流伺服电机力矩输出值计算方法为：

左腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb1为：

$T_{xb1}=k_{vb1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b1}+k_{sb1}{T}_{sb1}---\left(1\right)$

左腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs1为：

$T_{xs1}=k_{vs1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s1}+k_{ss1}{T}_{ss1}---\left(2\right)$

右腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb2为：

$T_{xb2}=k_{vb2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b2}+k_{sb2}{T}_{sb2}---\left(7\right)$

右腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs2为：

$T_{xs2}=k_{vs2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s2}+k_{ss2}{T}_{ss2}---\left(8\right)$

步骤4.7、连续行走的左腿摆动右腿支撑相位的执行判断：判断腰部俯仰角度值大于起步动作触发的角度阈值Aw1；若大于，则判断左腿大腿角速度值和左腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值Twb1；若大于，则判断判断右足足底压力值与左足足底压力值的差值，若差值为正，且正值大于起步触发的压力差设定阈值Pdb；则执行步骤4.5；若有一项条件不满足，则执行步骤4.2；

步骤4.8、连续行走的左腿支撑右腿摆动相位的执行判断：判断部俯仰角度值是否大于起步动作触发的角度阈值Aw1；若大于，则判断右腿大腿角速度值和右腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值Twb2，若大于，则判断左足足底压力值与右足足底压力值的差值，若差值为正，且正值大于起步触发的压力差设定阈值Pdb，则执行步骤4.4；若有一项条件不满足，则执行步骤4.2；

步骤5、对左右大小腿的角速度值、当前左右腿所属的步态相位、外骨骼装置当前姿态、负重在左右脚的分布进行计算，得到左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值，包括：左腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、左腿膝关节直流伺服电机输出力矩值、右腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、右腿膝关节直流伺服电机输出力矩值，并用于控制外骨骼装置进行多相位步态切换；从而在外骨骼带动人体完成各种步态动作的条件下，对额外负重状态进行外骨骼机器人各关节输出力进行补偿处理，满足了负重下人体动作的连贯性和稳定性。

Claims (6)

1.一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统，其特征是包括：传感器模块、直流伺服电机、信号采集与处理模块、步态切换运动控制模块、电机驱动模块；所述传感器包括：惯性测量单元、足底压力传感器、电机编码器；

所述惯性测量单元分别设置在穿戴者左腿大腿、左腿小腿、右腿大腿、右腿小腿和腰部，用于获得穿戴者运动时左右大小腿的角速度值和姿态角度值，包括：左腿大腿角速度值、左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值、右腿小腿角速度值、腰部俯仰角度值、左腿大腿俯仰角度值、左腿小腿俯仰角度值、右腿大腿俯仰角度值、右腿小腿俯仰角度值，并提供给所述信号采集与处理模块；

所述足底压力传感器设置在所述外骨骼装置的足部，并用于采集所述外骨骼装置的足部压力值，包括：左足大脚趾压力值、左足小脚趾压力值、左足脚跟压力值、右足大脚趾压力值、右足小脚趾压力值、右足脚跟压力值，并提供给所述信号采集与处理模块；

所述电机编码器设置在所述外骨骼装置的左右腿髋关节和膝关节处，并用于采集所述外骨骼装置的左右腿髋关节和膝关节的直流伺服电机编码器值，包括：左腿髋关节直流伺服电机编码器值、左腿膝关节直流伺服电机编码器值、右腿髋关节直流伺服电机编码器值、右腿膝关节直流伺服电机编码器值，并提供给所述信号采集与处理模块；由所述信号采集与处理模块通过所述左右腿髋关节和膝关节的直流伺服电机编码器值分别获得左右腿髋关节和膝关节的变化角度值，包括：外骨骼装置左腿髋关节变化角度值、外骨骼装置左腿膝关节变化角度值、外骨骼装置右腿髋关节变化角度值、外骨骼装置右腿膝关节变化角度值；

所述信号采集与处理模块将所述足部压力值、左右大小腿的角速度值和姿态角度值、左右腿髋关节和膝关节的直流伺服电机编码器值及其变化角度值分别传递给所述步态切换运动控制模块进行逻辑判断，获得逻辑判断结果，包括：负重在左右脚的分布、外骨骼装置与穿戴者身体运动契合度参数和当前左右腿所属的步态相位；再根据所述逻辑判断结果与所述左右大小腿的角速度值一起进行计算，获得左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值并传递给所述电机驱动模块；所述左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值包括：左腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、左腿膝关节直流伺服电机输出力矩值、右腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、右腿膝关节直流伺服电机输出力矩值；

所述电机驱动模块将所述左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值转化为驱动器指令，用于控制所述直流伺服电机驱动所述外骨骼装置进行多相位步态切换。

2.一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、获取左腿髋关节直流伺服电机编码器值、左腿膝关节直流伺服电机编码器值、右腿髋关节直流伺服电机编码器值、右腿膝关节直流伺服电机编码器值，并进行脉冲与角度换算关系计算，得到左右腿髋关节和膝关节的变化角度值，包括：外骨骼装置左腿髋关节变化角度值、外骨骼装置左腿膝关节变化角度值、外骨骼装置右腿髋关节变化角度值、外骨骼装置右腿膝关节变化角度值；

步骤2、获取穿戴外骨骼装置的足部压力值，包括：左足大脚趾压力值、左足小脚趾压力值、左足脚跟压力值、右足大脚趾压力值、右足小脚趾压力值、右足脚跟压力值，并进行计算，得到左右足各自的负重压力值；

步骤3、获取穿戴外骨骼装置运动时左右大小腿的角速度值，包括：左腿大腿角速度值、左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值、右腿小腿角速度值，并与所述左右腿髋关节和膝关节的变化角度值一起进行计算，获得外骨骼装置与穿戴者身体运动契合度参数；

步骤4、获取穿戴外骨骼装置运动时左右大小腿和腰部的姿态角度值，包括：左腿大腿俯仰角度值、左腿小腿俯仰角度值、右腿大腿俯仰角度值、右腿小腿俯仰角度值、腰部俯仰角度值，并与所述足部压力值一起进行逻辑判断，获得当前左右腿所属的步态相位；

步骤5、对所述左右大小腿的角速度值、当前左右腿所属的步态相位、外骨骼装置当前姿态、负重在左右脚的分布进行计算，得到左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值，包括：左腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、左腿膝关节直流伺服电机输出力矩值、右腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、右腿膝关节直流伺服电机输出力矩值，并用于控制所述外骨骼装置进行多相位步态切换。

3.根据权利要求2所述的多相位步态切换控制方法，其特征是：

所述步骤1中，脉冲与角度换算关系的计算方法为：

各关节变化角度值＝编码器当前脉冲数/(电机转动一圈脉冲数×减速器减速比)。

4.根据权利要求2所述的多相位步态切换控制方法，其特征是：

所在步骤2中，左右足各自负重压力值的计算方法为：

左足压力值＝(左足大脚趾压力权重系数×左足大脚趾压力值+左足小脚趾压力权重系数×左足小脚趾压力值+左足脚跟压力权重系数×左足脚跟压力值)；

右足压力值＝(右足大脚趾压力权重系数×右足大脚趾压力值+右足小脚趾压力权重系数×右足小脚趾压力值+右足脚跟压力权重系数×右足脚跟压力值)；

根据空载和负重两种情况下分别计算左足压力值和右足压力值，则左脚负重＝负重左足压力值-空载左足压力值；右脚负重＝负重右足压力值-空载右足压力值。

5.根据权利要求2所述的多相位步态切换控制方法，其特征是：

所述步骤3中，外骨骼装置与穿戴者身体运动契合度参数计算方法为：

左腿髋关节契合度参数＝左腿大腿角速度值/外骨骼装置左腿髋关节变化角度值；

左腿膝关节契合度参数＝左腿小腿角速度值/外骨骼装置左腿膝关节变化角度值；

右腿髋关节契合度参数＝右腿大腿角速度值/外骨骼装置右腿髋关节变化角度值；

右腿膝关节契合度参数＝右腿小腿角速度值/外骨骼装置右腿膝关节变化角度值。

6.根据权利要求2所述的多相位步态切换控制方法，其特征是，

所述步骤4中的逻辑判断是按如下过程进行：

步骤4.1、判断腰部俯仰角度值是否大于起步动作触发的角度阈值；若大于，则执行步骤4.3；否则，执行步骤4.2；

步骤4.2、保持外骨骼装置当前的姿态，并执行步骤4.1；

步骤4.3、判断左腿大腿角速度值、左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值、右腿小腿角速度值是否满足条件1或条件2或条件3；若不满足条件1、条件2或条件3，则执行步骤4.2；

条件1：若左腿大腿角速度值和左腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值，则判断右足足底压力值与左足足底压力值的差值，若差值为正，且正值大于起步触发的压力差设定阈值，则执行步骤4.5；

条件2：若右腿大腿角速度值和右腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值，则判断左足足底压力值与右足足底压力值的差值，若差值为正，且正值大于起步触发的压力差设定阈值，则执行步骤4.4；

条件3：若左腿大腿角速度值和左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值和右腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值，则执行步骤4.6；

步骤4.4、执行右腿摆动相位，左腿支撑相位的步态，执行结束后转至步骤4.7；

在当前相位下，各直流伺服电机力矩输出值计算方法为：

左腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb1为：

$T_{xb1}=k_{vb1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b1}+k_{sb1}{T}_{sb1}---\left(1\right)$

式(1)中，k_vb1为所述左腿髋关节契合度参数，为左腿大腿的角速度值，k_sb1为满足左腿支撑负重情况下的髋关节助力调节系数，T_sb1为左腿髋关节静止下最小输出力矩；

左腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs1为：

$T_{xs1}=k_{vs1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s1}+k_{ss1}{T}_{ss1}---\left(2\right)$

式(2)中，k_vs1为所述左腿膝关节契合度参数，为左腿小腿的角速度值，k_ss1为满足左腿支撑负重情况下的膝关节助力调节系数，T_ss1为左腿膝关节静止下最小输出力矩；

右腿髋关节直流伺服电机输输出力矩T_xb2为：

$T_{xb2}=k_{vb2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b2}+k_{wb2}{T}_{wb2}---\left(3\right)$

式(3)中，k_vb2为所述右腿髋关节契合度参数，为右腿大腿的角速度值，k_wb2为右腿摆动情况下的髋关节助力调节系数，T_wb2为右腿髋关节静止下最小输出力矩；

右腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs2为：

$T_{xs2}=k_{vs2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s2}+k_{ws2}{T}_{ws2}---\left(4\right)$

式(4)中，k_vs2为所述右腿膝关节契合度参数，为右腿小腿的角速度值，k_ws2为右腿摆动情况下的膝关节助力调节系数，T_ws2为右腿膝关节静止下最小输出力矩；

步骤4.5、执行左腿摆动相位，右腿支撑相位的步态；执行结束后，转至步骤4.8；

在当前相位下，各直流伺服电机力矩输出值计算方法为：

左腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb1为：

$T_{xb1}=k_{vb1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b1}+k_{wb1}{T}_{wb1}---\left(5\right)$

式(5)中，k_wb1为左腿摆动情况下的髋关节助力调节系数，T_wb1为左腿髋关节静止下最小输出力矩；

左腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs1为：

$T_{xs1}=k_{vs1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s1}+k_{ws1}{T}_{ws1}---\left(6\right)$

式(6)中，k_ws1为左腿摆动情况下的膝关节助力调节系数，T_ws1为左腿膝关节静止下最小输出力矩；

右腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb2为：

$T_{xb2}=k_{vb2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b2}+k_{sb2}{T}_{sb2}---\left(7\right)$

式(7)中，k_sb2为满足右腿支撑负重情况下的髋关节助力调节系数，T_sb2为右腿髋关节静止下最小输出力矩；

右腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs2为：

$T_{xs2}=k_{vs2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s2}+k_{ss2}{T}_{ss2}---\left(8\right)$

式(8)中，k_ss2为满足右腿支撑负重情况下的膝关节助力调节系数，T_ss2为右腿膝关节静止下最小输出力矩；

步骤4.6、执行原地站立到下蹲或下蹲到站立的运动相位该，执行结束后转至步骤4.1；

在当前相位下，各直流伺服电机力矩输出值计算方法为：

左腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb1为：

$T_{xb1}=k_{vb1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b1}+k_{sb1}{T}_{sb1}---\left(1\right)$

左腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs1为：

$T_{xs1}=k_{vs1}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s1}+k_{ss1}{T}_{ss1}---\left(2\right)$

右腿髋关节直流伺服电机输出力矩T_xb2为：

$T_{xb2}=k_{vb2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{b2}+k_{sb2}{T}_{sb2}---\left(7\right)$

右腿膝关节直流伺服电机输出力矩T_xs2为：

$T_{xs2}=k_{vs2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{s2}+k_{ss2}{T}_{ss2}---\left(8\right)$

步骤4.7：判断是否同时满足条件4、条件5、条件6和条件7；若同时满足，则执行步骤4.5；若有一项条件不满足，则执行步骤4.2；

条件4：腰部俯仰角度值大于起步动作触发的角度阈值；

条件5：左腿大腿角速度值和左腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值；

条件6：右足足底压力值与左足足底压力值的差值为正；

条件7：右足足底压力值与左足足底压力值的差值大于起步触发的压力差设定阈值；

步骤4.8：判断是否同时满足条件8、条件9、条件10和条件11；若同时满足，则执行步骤4.4；若有一项条件不满足，则执行步骤4.2；

条件8：腰部俯仰角度值大于起步动作触发的角度阈值；

条件9：右腿大腿角速度值和右腿小腿角速度值均大于角速度活跃阈值；

条件10：左足足底压力值与右足足底压力值的差值为正；

条件11：左足足底压力值与右足足底压力值的差值大于起步触发的压力差设定阈值。