CN109048904B - 一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统与控制方法，所述液压伺服控制系统包括伺服控制器、微小液压驱动单元、电机驱动模块、机器人本体、反馈测量单元；髋关节液压缸伺服控制采用髋关节角度—液压泵转速的双闭环控制策略；膝部液压缸伺服控制采用膝关节角度—旋转式换向阀开度的双闭环控制策略；通过前馈控制算法实现髋关节液压缸与膝关节液压缸之间动作的解耦问题；本发明在对穿戴者行走过程中的受力情况进行分析的基础上，对外骨骼用液压驱动系统进行了简化设计，结合所提出的伺服控制算法，使液压驱动系统不仅满足性能要求，而且实现了轻量化与小型化。

Description

一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统与控制方法

技术领域

本发明属于机器人驱动与伺服控制技术领域，涉及微小型液压伺服控制系统与控制方法，尤其是一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统与控制方法。

背景技术

外骨骼机器人是智能化的人机交互系统，它为穿戴者提供支撑和防护，能够有效增强人体负重能力与耐力，在单兵机动作战、抢险救援、康复医疗以及民事应用领域(包括建筑作业、装配作业)具备广阔的应用前景。

当前，外骨骼机器人的驱动方式主要包括电机驱动和液压驱动。电机驱动主要应用于康复医疗领域外骨骼，这主要是因为医疗康复外骨骼对负载驱动能力要求不高，电机驱动能够满足应用需求。与电机驱动相比，液压驱动具有负载能力大，率密度大，抗干扰能力强，传动平稳且能承受较大的冲击和过载等优点，因此液压驱动外骨骼广泛应用于军事和部分民事应用中重载应用场合。目前，外骨骼用液压驱动系统采用一个或者多个电机—泵动力系统，并且每个液压缸都配合使用一个伺服阀进行压力和流量的调节，进而控制液压缸作动。这种液压系统方案虽然在功能上能够满足外骨骼系统应用需求，然而受制于现有液压生产工艺，液压系统体积和重量都会过大，导致整个外骨骼系统显得非常笨重，外骨骼机器人不仅助力效果不明显，反而使用起来非常不方便，甚至给穿戴者带来额外的负担，严重限制了液压驱动外骨骼机器人的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统与控制方法，在对穿戴者实际运动中的受力情况进行综合分析的基础上，对外骨骼液压驱动系统原理进行简化设计，提出一种微小液压驱动系统，结合所提出的伺服控制算法，使液压伺服控制系统在满足性能要求的基础上，实现小型化与轻量化。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统，包括伺服控制器、电机驱动模块、微小液压系统、机器人本体和反馈测量单元；所述伺服控制器的输出端与电机驱动模块相连接，用于对控制算法进行解算，输出控制信号到电机驱动模块；所述电机驱动模块的输出端与微小液压系统相连接，用于驱动液压泵驱动电机和旋转式换向阀驱动电机动作；所述微小液压系统的输出端与机器人本体上的髋关节和膝关节相连接，用于驱动外骨骼机器人的关节动作；所述微小液压系统还通过反馈测量单元与伺服控制器相连接，用于为液压伺服控制提供信号反馈；所述机器人本体上的髋关节和膝关节还通过反馈测量单元与伺服控制器相连接，用于为液压伺服控制提供信号反馈。

而且，所述伺服控制器包括FPGA模块和DSP模块，所述FPGA模块和DSP模块相连接，实现数据通讯；该FPGA模块包括系统时序控制模块、传感器信息采样模块、驱动控制模块和接口通讯模块，所述系统时序控制模块分别与传感器信息采集模块、驱动控制模块和接口通讯模块连接，用于提供系统定时中断和采样等时序控制功能；所述传感器信息采集模块的输入端与外部传感器相连接，其输出端与DSP模块相连接，为传感器信号进入伺服控制器提供接口；所述驱动控制模块的输入端与DSP模块相连接，其输出端与电机驱动模块相连接，用于接收控制器输出的控制率，并将其转换为脉宽调制信号及电机方向信号并作用到电机驱动模块上；所述接口通讯模块的输出端与上位机相连，其输入端与DSP相连，实现伺服控制器与上位机通讯。

而且，所述微小液压系统分为左、右对称的下肢液压驱动单元，每个下肢液压驱动单元主要由单个油箱、单个髋关节液压缸、单个膝关节液压缸、单个液压泵、单个液压泵驱动电机及其同轴装配的转速编码器、单个旋转式换向阀、单个旋转式换向阀驱动电机以及与其同轴装配的光电码盘、若干安全阀、液控单向阀和油压传感器构成；其中，与液压泵驱动电机同轴安装的转速编码器的输出端与伺服控制器相连接，用于将液压泵转速信息发送到伺服控制器；所述光电码盘的输出端与伺服控制器连接，用于将伺服阀的开度信息输出至伺服控制器；所述油压传感器的输出端与伺服控制器连接，用于将油缸压力信息输出至伺服控制器。

而且，所述机器人本体包括髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和足部；所述髋关节与液压驱动单元中【没问题】的髋关节液压缸连接，做主动伸缩运动；所述膝关节与液压驱动单元中的膝关节液压缸连接，做主动伸缩运动；所述踝关节为被动关节，无液压驱动；所述大腿两端分别连接髋关节和膝关节；所述小腿两端分别连接膝关节和踝关节；所述足部一端连接踝关节。

而且，所述反馈测量单元包括膝关节角度编码器、髋关节角度编码器、液压泵转速编码器、旋转式换向阀开度编码器、足底压力传感器和液压缸油压传感器，该反馈测量单元的关节角度编码器、液压泵转速编码器、旋转式换向阀开度编码器、足底压力传感器和液压缸油压传感器的输出端分别与伺服控制器相连接，为液压伺服控制提供必要的状态反馈。

一种外骨骼机器人用微小型液压控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采集足底压力信号，并进行步态相位识别；

步骤2、根据步骤1的步态相位识别结果，选择步态相位所对应的髋关节参考运动轨迹，构建基于髋关节角度—液压泵转速的双闭环控制策略，对髋关节液压缸的伺服控制；

步骤3、根据步骤1的步态相位识别结果选择膝关节液压缸的控制模式；

步骤4、构建前馈控制器，实现髋关节伺服控制与膝关节伺服控制之间的解耦。

而且，所述步骤1的具体方法为：利用足底压力传感器分别检测外骨骼机器人足底前脚掌和后脚跟部位上的压力；将压力数据输出至伺服控制器中的FPGA接口上，FPGA中内嵌步态相位识别算法对步态相位进行识别，将人体步态相位划分为摆动前期、摆动后期、支撑前期、支撑中期和支撑后期；

而且，所述步骤2的具体方法为：

⑴根据步骤1中步态相位识别结果选择当前步态相位所对应的髋关节参考运动轨迹，将其作为髋关节液压缸伺服控制的参考给定；

⑵采用双闭环控制算法实现对髋关节液压缸伺服控制，其中液压泵电机转速闭环作为控制系统内环，髋关节角度闭环为控制系统外环；

⑶构建基于液压泵转速闭环的内环控制系统，控制器参考输入为髋关节角度闭环控制器的输出；其反馈信号为液压泵驱动电机转速编码器反馈的液压泵转速信号；控制器中的算法选用PID算法，控制器输出到所述泵电机驱动模块，驱动模块输出激励信号驱动液压泵电机旋转，泵转速控制器的具体形式为：

U_n＝K_pnΔn+K_in∑Δn+K_dn(Δn-Δn^p)

式中，

是液压泵电机给定转速与反馈转速之间的偏差，Δn^p为前一时刻转速偏差,K_pn为比例控制增益，K_in为积分控制控制器，K_dn为微分控制增益，电机转速n通过对特定时间间隔内增量式光电编码器输出脉冲进行计数而获得，即n＝ΔN/Ts，采样间隔取为Ts＝0.5ms；采用五阶FIR滤波器对转速信号进行低通滤波，截至频率设为600Hz，滤波器参数为：

Γ＝[0.0102,0.1177,0.3721,0.3721,0.1177,0.0102]

⑷构建基于髋关节角度闭环的外环控制系统，控制器输入为依据步态相位设定的髋关节参考动作轨迹，反馈信号为外骨骼机器人本体上的髋关节角度编码器发送来的角度信息；髋关节参考角度与反馈量的偏差通过髋关节角度控制器，然后输出控制律并将其作为液压泵转速闭环控制的给定；髋关节角度控制器输出为：

式中：

是髋关节角位置参考值与编码器反馈值之间的偏差，Δθ^p为前一时刻角度偏差，K_pθ1为比例控制增益，K_iθ1为积分控制增益，K_dθ1为微分控制增益。

而且，所述步骤3的具体方法为：

⑴当步骤1中步态相位识别结果为摆动期时，将旋转式换向阀切换到“缩”位，膝关节液压缸与油箱联通，膝关节液压缸不具备驱动能力，穿戴者拖动膝关节自由摆动；所述摆动期包括摆动前期和摆动后期；

⑵当步骤1中步态相位识别结果为支撑期时，膝关节需要主动产生支撑力，对膝部液压缸施加主动控制；采用基于膝关节角度—旋转式换向阀开度的双闭环控制策略，实现对膝关节液压缸的伺服控制；所述支撑期包括支撑前期、支撑中期和支撑后期；

⑶所述基于膝关节角度—旋转式换向阀开度的双闭环控制算法的内环为旋转式换向阀的开度闭环控制，外环为膝关节角度闭环控制；

⑷构建基于旋转式换向阀开度伺服控制的内环控制系统，控制器参考输入为膝关节角度闭环控制器的输出，反馈输入信号为所述光电码盘的输出，参考输入与反馈输入信号的偏差通过阀门开度控制器，控制器输出控制律，并将其直接输出到直流电机驱动器上驱动伺服阀电机产生旋转运动；伺服阀开度控制器的具体形式为：

U_σ＝K_pσΔσ+K_iσ∑Δσ+K_dσ(Δσ-Δσ^p)

式中：

为当前阀门开度偏差，Δσ^p为上一时刻阀门开度偏差，σ为当前时刻阀门开度，由光电码盘输出获得，K_pσ为比例控制增益，K_iσ为积分控制增益，K_dσ为微分控制增益；

⑸构建基于膝关节角度闭环的外环控制系统，控制器参考输入为依据步态相位设定的膝关节参考动作轨迹，反馈输入信号为外骨骼机器人本体上膝关节角度编码器的输出，参数输入与反馈信号的偏差通过膝关节角度控制器输出控制律，将其作为内环控制器的参考给定；膝关节角度控制器输出为：

式中：

为当前膝关节角度偏差，

为前一时刻膝关节角度偏差，K_pθ2为比例控制增益，K_iθ2为积分控制增益，K_dθ2为微分控制增益。

而且，所述步骤4的具体方法为：旋转式换向阀开度参考给定与反馈信号的偏差通过前馈补偿控制器Gf(s),输出前馈控制律，其直接作用与液压泵转电机驱动器；当髋部液压缸和膝部液压缸同时动作时，前馈控制可以补偿由于换向阀动作而对髋部液压缸伺服控制产生的扰动；控制器采用PD控制,控制器输出为：

U_f＝K_pf*Δσ+K_df(Δσ-Δσ^p)

式中：Δσ为旋转式换向阀门开度参考给定与反馈信号之间的偏差，Δσ^p为前一时刻开度偏差值；前馈控制只有在对膝关节液压缸进行伺服控制的时候才施加，而当步态相位处于摆动期，前馈控制设置为无效状态。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明的微小液压系统及其伺服控制算法为两个核心创新点，具体来说，本发明在对穿戴者行走过程中受力情况进行综合分析的基础上提出了一种微小液压系统，结合所提出了双闭环控制算法以及前馈补偿控制算法，使液压系统在满足性能要求的基础上实现了小型化与轻量化；解决了传统外骨骼机器人用液压系统采用一个或者多个电机—泵动力系统，并且每个液压缸都配合使用一个伺服阀进行压力和流量的调节，而受限于液压制造工艺，使得外骨骼用液压系统体积大、质量重，从严重阻碍液压驱动外骨骼的实用化进程的技术问题。

2、不同于传统外骨骼用液压系统所采取的多个泵动力单元以及多个伺服阀调节单元，本发明采用一个泵和一个伺服阀实现外骨骼系统膝关节和髋关节的运动控制；针对穿戴者在摆动相膝关节所需要的力量消耗小，将膝关节在摆动相的运动设置为由穿戴者小腿拖动而摆动，这样减少了一个膝部液压缸主动驱动的自由度；这些使液压系统设计得以简化，有效减小液压驱动器的体积和重量。

3、针对所提出的微小液压系统，本发明采用基于液压泵电机转速—髋关节角度双闭环的髋关节液压缸伺服控制算法以及基于换向阀开度—膝关节角度双闭环的膝关节液压缸伺服控制算法，具有伺服控制精度高、系统带宽高、控制过程中关节力矩波动小的优点。对于单侧下肢液压系统，髋关节液压缸和膝关节液压缸共用一个液压泵所提供的液压油源动力，两个缸存在一定的运动耦合和干扰，本发明采用前馈补偿控制方法，有效减小了髋部液压缸和膝部液压缸之间的运动耦合和相互干扰。

附图说明

图1为本发明所提出的外骨骼机器人用微小液压伺服控制系统框图；

图2为本发明的伺服控制器架构图；

图3为本发明所提出的微小液压驱动单元原理图；

图4为本发明所提出的微小液压伺服控制方法流程图；

图5为本发明中足底压力信号采集与步态相位识别方法流程图；

图6为本发明中液压泵转速闭环控制系统框图；

图7为本发明中髋关节角度控制系统框图；

图8为本发明中旋转式换向阀开度控制系统框图；

图9为本发明中膝关节角度控制系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统，如图1所示，包括伺服控制器、电机驱动模块、微小液压系统、机器人本体和反馈测量单元；所述伺服控制器的输出端与电机驱动模块相连接，用于对控制算法进行解算，输出控制信号到电机驱动模块；所述电机驱动模块的输出端与微小液压系统相连接，用于驱动液压泵驱动电机和旋转式换向阀驱动电机动作；所述微小液压系统的输出端与机器人本体上的髋关节和膝关节相连接，用于驱动外骨骼机器人的关节动作；所述微小液压系统还通过反馈测量单元与伺服控制器相连接，用于为液压伺服控制提供信号反馈；所述机器人本体上的髋关节和膝关节还通过反馈测量单元与伺服控制器相连接，用于为液压伺服控制提供信号反馈。

所述伺服控制器包括FPGA模块和DSP模块，所述FPGA模块和DSP模块相连接，实现数据通讯；该FPGA模块包括系统时序控制模块、传感器信息采样模块、驱动控制模块和接口通讯模块，所述系统时序控制模块分别与传感器信息采集模块、驱动控制模块和接口通讯模块连接，用于提供系统定时中断和采样等时序控制功能；所述传感器信息采集模块的输入端与外部传感器相连接，其输出端与DSP模块相连接，为传感器信号进入伺服控制器提供接口；所述驱动控制模块的输入端与DSP模块相连接，其输出端与电机驱动模块相连接，用于接收控制器输出的控制率，并将其转换为脉宽调制信号及电机方向信号并作用到电机驱动模块上；所述接口通讯模块的输出端与上位机相连，其输入端与DSP相连，实现伺服控制器与上位机通讯。

所述微小液压系统分为左、右对称的下肢液压驱动单元，每个下肢液压驱动单元主要由单个油箱、单个髋关节液压缸、单个膝关节液压缸、单个液压泵、单个液压泵驱动电机及其同轴装配的转速编码器、单个旋转式换向阀、单个旋转式换向阀驱动电机以及与其同轴装配的光电码盘、若干安全阀、液控单向阀和油压传感器构成；其中，与液压泵驱动电机同轴安装的转速编码器的输出端与伺服控制器相连接，用于将液压泵转速信息发送到伺服控制器；所述光电码盘的输出端与伺服控制器连接，用于将伺服阀的开度信息输出至伺服控制器；所述油压传感器的输出端与伺服控制器连接，用于将油缸压力信息输出至伺服控制器。

所述机器人本体包括髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和足部；所述髋关节与液压驱动单元中的髋关节液压缸连接，做主动伸缩运动；所述膝关节与液压驱动单元中的膝关节液压缸连接，做主动伸缩运动；所述踝关节为被动关节，无液压驱动；所述大腿两端分别连接髋关节和膝关节；所述小腿两端分别连接膝关节和踝关节；所述足部一端连接踝关节。

所述反馈测量单元包括膝关节角度编码器、髋关节角度编码器、液压泵转速编码器、旋转式换向阀开度编码器、足底压力传感器和液压缸油压传感器，该反馈测量单元的关节角度编码器、液压泵转速编码器、旋转式换向阀开度编码器、足底压力传感器和液压缸油压传感器的输出端分别与伺服控制器相连接，为液压伺服控制提供必要的状态反馈。

本发明的外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统的各组成模块的功能作用为：

(1)伺服控制器接收反馈测量单元发送过来的传感器数据，利用控制算法进行解算，输出控制信号到电机驱动模块；

在本实施例中，所述伺服控制器选用DSP+FPGA双核架构，它接收反馈测量单元发送过来的各类传感器数据，结合给定参考信号(包括髋部液压缸和膝部液压缸期望的动作轨迹)进行伺服控制算法解算，并将控制命令发送给电机驱动模块。

图2为所述伺服控制器架构，采用DSP+FPGA双核架构，其中DSP芯片选用TI公司超低功耗高性能浮点DSP芯片TMS320C6748，主频为456MHZ，提供控制算法解算的硬件平台；FPGA芯片选用Xilinx公司Spartan6系列芯片；DSP与FPGA之间通过EMIF总线连接，实现数据通讯。FPGA内部包括系统时序控制模块、传感器信息采样模块、驱动控制模块和接口通讯模块，其中系统时序控制模块分别与传感器信息采集模块、驱动控制模块和接口通讯模块连接，提供系统定时中断和采样等时序控制功能；传感器信息采集模块对外与所述各外部传感器相连接，对内与DSP相连，为传感器信号进入伺服控制器提供接口；所述驱动控制模块对外与电机驱动模块相连，对内与DSP相连，它接收控制器输出的控制率，将其转换为脉宽调制信号(PWM)及电机方向信号并作用到电机驱动器上；所述接口通讯模块对外与上位机相连，对内与DSP相连，实现伺服控制器与上位机通讯。

所述伺服控制控制器主要功能如下：

⑴实现系统时序控制，生成系统中断、采样频率等；

⑵实现控制算法解算；

⑶实现足底压力的模拟信号AD采集；

⑷实现液压缸油压传感器的模拟信号AD采集；

⑸通过RS422差分电平接口实现髋关节角度编码器的信息采集；

⑹通过RS422差分电平接口实现膝关节角度编码器的信息采集；

⑺实现旋转式换向阀转驱动电机光电码盘信息采集；

⑻通过RS422差分电平接口实现泵转电机编码器的信息采集；

⑼输出电机驱动模块的控制信号。

(2)电机驱动模块的输入端与伺服控制器连接，输出端与微小液压系统相连接，它接收控制器发送的控制信号，产生功率驱动信号分别作用于液压泵驱动电机和旋转式换向阀驱动电机；

在本实例中，液压泵电机驱动器选用直流无刷电机驱动器，旋转式换向阀电机驱动器选用直流有刷电机驱动器。

(3)微小液压系统通过控制液压泵和旋转式换向阀调节进入髋部液压缸和膝部液压缸的流体压力和流量，进而驱动外骨骼机器人髋关节和膝关节动作；外骨骼机器人本体是整个液压伺服系统的驱动对象，同时安装其上髋关节角度编码器和膝关节角度编码器为液压伺服控制提供信号反馈；

在本实施例中，所述微小液压系统分为左、右两侧下肢液压驱动单元，两个液压驱动单元相互独立，原理相同，左右对称放置，在此后的描述中只仅针对其中一个进行展开。液压驱动单元由一个油箱，一个髋关节液压缸，一个膝关节液压缸，一个液压泵，一个液压泵驱动电机及其同轴装配的转速编码器，一个旋转式换向阀，一个旋转式换向阀驱动电机以及与其同轴装配的光电码盘，除此之外还包括若干安全阀、液控单向阀以及油压传感器。双作用液压泵同时为髋部液压缸和膝部液压缸提供压力油，其中一路通过控制液压泵旋转方向直接驱动髋部液压缸伸缩运动，另一路通过旋转式换向阀调节进入膝部液压缸的压力和流量。液压泵由液压泵电机驱动旋转，液压泵电机接收所述电机驱动模块上功率信号；旋转式换向阀由换向阀电机驱动旋转，换向阀电机接收所述电机驱动模块上功率信号。

图3为所述单侧下肢液压驱动单元原理图，包括一个双作用微型液压泵5及其驱动电机，一个转速编码器，一个旋转式换向阀6及其驱动电机，一个光电码盘，一个髋关节液压缸8，一个膝关节液压缸9，一个油箱4，三个油压传感器1.1-1.3，三个液控单向阀2.1，2.2，7，三个安全阀3.1-3.3。其中所述双作用液压泵选用齿轮泵，所述液压泵驱动电机选用直流无刷电机，所述转速编码器选用增量式旋转编码器；所述旋转式换向阀选用两位两通电磁阀，所述换向阀驱动电机选用直流有刷电机，所述光电码盘选用增量式光电码盘，所述髋关节液压缸由缸体、活塞、端盖及密封件等组成，为双作用缸；所述膝关节液压缸由缸体、活塞、端盖及密封件等组成，为单作用缸；所述油压传感器选用薄膜压力传感器。

所述双作用微型液压泵5一侧分别与髋关节液压缸8有杆腔、液控单向阀2.1的输出端、安全阀3.1的输入端以及油压传感器1.1连接；双作用液压泵5另一侧分别与髋关节液压缸8无杆腔、液控单向阀2.2的输入端、安全阀3.2的输入端、旋转式换向阀6的一个输入端以及油压传感器1.2连接；旋转式换向阀6包括两个输入端，其中一个输入端与液压泵5、髋关节液压缸8的无杆腔、液控单向阀2.2的输入端、安全阀3.2的输入端以及油压传感器1.2连接；旋转式换向阀另一个输入端与油箱4直接连接；旋转式换向阀输出端与膝关节液压缸无杆腔、液控单向阀7的输出端、安全阀3.3的输入端以及油压传感器1.3连接；单向阀3.1、3.2和3.3的输出端均与油箱4连接；液控单向阀2.1的输入端分别与油箱和髋关节液压缸8的无杆腔连接，液控单向阀2.2的输入端分别与油箱和髋关节液压缸8的有杆腔连接；液压泵与泵驱动电机及转速编码器同轴连接；旋转式换向阀与阀驱动电机及光电码盘同轴连接。

本发明的液压驱动单元的工作原理是：

①泵驱动电机带动液压泵旋转运动，产生驱动髋部液压缸和膝部液压缸动作所需的压力油源；

②髋部液压缸有杆腔和无杆腔分别与液压泵两侧直接连通，通过改变液压泵旋转方向控制髋关节液压伸缩运动方向，通过改变液压泵转速控制髋部液压缸动作的快慢；

③通过旋转式换向阀控制膝关节液压缸的动作，当旋转式换向阀打到“缩”位置，膝关节液压缸无杆腔与油箱联通，膝关节液压缸不具备驱动能力，膝关节液压缸可以有人腿带动而自由伸缩；当旋转式换向阀打到“停”的位置，膝部液压缸静止不动；当旋转式换向阀打到“开”的位置，膝部液压缸无杆腔与液压泵一侧油路联通，在液压油的作用下驱动膝关节液压缸伸出，通过改变阀门开度调节膝关节液压缸内的压力和流量，进而控制膝关节液压缸的伸出速度。

④液控单向阀2.1和2.2实现髋部液压缸的补油和回油，液控单向阀实现膝关节液压缸补油。

⑤安全阀3.1、3.2和3.3分别为设置在髋部液压缸有杆腔、髋部液压缸无杆腔以膝部液压缸无杆腔的安全阀，当油缸内的油压超过30MPa时，产生溢流，液压油回流到油箱。

⑥油压传感器1.1、1.2和1.3分别检测髋部液压缸有杆腔、髋部液压缸无杆腔以及膝部液压缸无杆腔的油压。

⑷所述机器人本体包括髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节、足部等；

在本实施例中，所述髋关节与液压驱动单元中的髋关节液压缸连接，在髋关节液压缸的作用下，做主动伸缩运动；所述膝关节与液压驱动单元中的膝关节液压缸连接，在膝关节液压缸的作用下做主动伸缩运动；所述踝关节为被动关节，无液压驱动；所述大腿两端分别连接髋关节和膝关节；所述小腿两端分别连接膝关节和踝关节；所述足部一端连接踝关节。

(3)反馈测量单元包括关节角度编码器、液压泵转速编码器、旋转式换向阀开度编码器、足底压力传感器和液压缸油压传感器，这些传感器为液压伺服控制提供必要状态反馈。

在本实施例中，所述反馈测量单元完成伺服控制系统中状态信息的感知与变送，所述髋关节角度编码器和膝关节角度编码器与伺服控制器连接，用于将关节角度信息发送到控制器；所述外骨骼机器人本体上足底压力传感器与伺服控制器连接，用于将足底压力信息发送到控制器上；所述液压驱动系统中与液压泵同轴安装的转速编码器与伺服控制器连接，用于将液压泵转速信息发送到控制器；所述液压驱动系统中的光电码盘与伺服控制器连接，用于将伺服阀的开度信息发送到控制器；所述液压驱动系统中的油压传感器与伺服控制器连接，用于将油缸压力信息发送到控制器；

一种外骨骼机器人用微小型液压控制方法，其实现流程如图4所示，包括足底压力采集与步态相位识别模块、髋部液压缸伺服控制模块、膝部液压缸伺服控制模块和前馈控制模块；所述足底压力采集与步态识别模块综合分析并判断当前所属步态相位，将步态相位分为摆动前期、摆动后期、支撑前期、支撑中期、支撑后期；根据步态相位切换髋部液压缸和膝部液压缸控制模式以及伺服控制的参考运动轨迹；髋关节液压缸伺服采用髋关节角度—液压泵转速的双闭环控制策略；膝关节液压缸伺服控制采用膝关节角度—旋转式换向阀开度的双闭环控制策略；由于髋关节液压缸和膝关节液压缸通过同一个液压泵产生油源作为动力源，采用前馈控制器实现两个液压缸之间动作的解耦。

一种外骨骼机器人用微小型液压控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采集足底压力信号，并进行步态相位识别；

所述步骤1的具体方法为：利用足底压力传感器分别检测外骨骼机器人足底前脚掌和后脚跟部位上的压力；将压力数据输出至伺服控制器中的FPGA接口上，FPGA中内嵌步态相位识别算法对步态相位进行识别，将人体步态相位划分为摆动前期、摆动后期、支撑前期、支撑中期和支撑后期；

在本实施例中，所述步骤1的具体实施方法如图5所示，采用在外骨骼机器人的鞋底处依照鞋的形状布置一根橡胶软管，构成一个闭合的气体回路，穿戴者脚踩在鞋底上压缩橡胶软管，橡胶管产生弹性形变，在管口处安装压力传感器检测压力变化；对压力传感器输出的模拟信号进行滤波、放大和模数采集，采集之后的数据通过并口的形式发送到FPGA接口；伺服控制器中嵌入步态相位识别模块，采用动态阈值分割算法对步态相位进行鉴相。所述压力传感器选用OMEGA公司生产的40PC030G2A型压力传感器，测压范围为0—30psig，输出敏感度为133.3mV/psi,电压输出范围：0.50±0.04V-4.00±0.08V。滤波器采用阻容低通滤波器，截止频率设为200Hz。模拟信号放大采用同相比例放大器，放大倍数为4倍。采用专用模数转换芯片，采样频率为1.2KHz。

步骤2、构建基于髋关节角度—液压泵转速的双闭环控制策略，并根据步骤1的步态相位识别结果实现对髋关节液压缸的伺服控制；

所述步骤2的具体方法为：

⑴根据步骤1中步态相位识别结果选择当前步态相位所对应的髋关节参考运动轨迹，将其作为髋关节液压缸伺服控制的参考给定。

⑵采用双闭环控制算法实现对髋关节液压缸进行伺服控制，其中液压泵电机转速闭环作为控制系统内环，髋关节角度闭环为控制系统外环；

⑶构建液压泵电机转速闭环的内环控制系统；髋关节角度闭环控制器的输出作为内环控制系统的参考输入，将液压泵电机转速编码器输出的转速信号作为内环控制系统的反馈，采用PID控制算法，将控制器输出作用到所述泵电机驱动模块上，驱动模块输出的激励信号驱动液压泵电机旋转；

在本实施例中，所述步骤2的第(3)步的具体方法为:

构建基于液压泵转速闭环的内环控制系统，控制框图如图6所示。控制器参考输入为髋关节角度闭环控制器的输出；其反馈信号为液压泵驱动电机转速编码器反馈的液压泵转速信号；控制器中的算法选用PID算法，控制器输出到所述泵电机驱动模块，驱动模块输出激励信号驱动液压泵电机旋转。泵转速控制器的具体形式为：

U_n＝K_pnΔn+K_in∑Δn+K_dn(Δn-Δn^p)

式中，

是液压泵驱动电机给定转速与反馈转速之间的偏差，Δn^p为前一时刻转速偏差,K_pn为比例控制增益，K_in为积分控制控制器，K_dn为微分控制增益。电机转速n通过对特定时间间隔内增量式光电编码器输出脉冲进行计数而获得，即n＝ΔN/Ts，采样间隔取为Ts＝0.5ms。为了去除转速信号中的高频噪声，采用五阶FIR滤波器对转速信号进行低通滤波，截至频率设为600Hz，滤波器参数为：

Γ＝[0.0102,0.1177,0.3721,0.3721,0.1177,0.0102]

⑷构建髋关节角度闭环的外环控制系统；将预先采集的穿戴者髋关节运动轨迹数据作为外环控制系统的参考输入；将外骨骼机器人本体上的髋关节角度编码器输出的角度信号作为外环控制系统的反馈；采用PID控制算法，将控制器输出给到液压泵转速闭环(内环)的参考输入端。

在本实施例中，所述步骤2的第⑷步的具体方法为:

构建基于髋关节角度闭环的外环控制系统，控制框图如图7所示。控制器输入为预先采集的穿戴者髋关节动作轨迹库，反馈信号为外骨骼机器人本体上的髋关节角度编码器发送来的角度信息；髋关节参考角度与反馈量的偏差通过髋关节角度控制器，然后输出控制律将其作为液压泵转速闭环控制的给定。髋关节角度控制器输出为：

式中：

是髋关节角位置参考给定与编码器反馈值之间的偏差，Δθ^p为前一时刻角度偏差，K_pθ1为比例控制增益，K_iθ1为积分控制增益，K_dθ1为微分控制增益。

步骤3、根据步骤1的步态相位识别结果选择膝部液压缸控制模式；

所述步骤3的具体方法为：

⑴当步骤1中步态相位识别结果为摆动期(包括摆动前期和摆动后期)时，将旋转式换向阀切换到“缩”位，膝关节液压缸与油箱联通，膝部液压缸不具驱动能力，穿戴者拖动膝关节自由摆动；

⑵当步骤1中步态相位识别结果为支撑期(包括支撑前期、支撑中期和支撑后期)时，膝关节需要主动产生支撑力，对膝部液压缸施加主动控制；采用基于膝关节角度—旋转式换向阀开度的双闭环控制策略，实现对膝关节液压缸的伺服控制；

⑶对于所采用的膝关节双闭环控制算法，将旋转式换向阀开度闭环作为控制系统的内环，将膝关节角度闭环作为控制系统的外环；

⑷构建旋转式换向阀开度闭环的内环控制系统；将膝关节角度闭环控制器的输出作为内环控制系统的参考输入，将所述光电码盘的输出作为内环控制系统的反馈信号，采用PID控制算法，将控制器的输出作用到所述旋转换向阀电机驱动模块上，驱动模块输出激励信号驱动换向阀电机旋转。

在本实施例中，所述步骤3的第(4)步的具体方法为：

构建基于旋转式换向阀开度伺服控制的内环控制系统，控制框图如图8所示。控制器参考输入为膝关节角度闭环控制器的输出，反馈输入信号为所述光电码盘的输出，参考输入与反馈输入信号的偏差通过阀门开度控制器输出控制律，它直接输出到直流电机驱动器上驱动伺服阀电机产生旋转运动。伺服阀开度控制器的具体形式为：

U_σ＝K_pσΔσ+K_iσ∑Δσ+K_dσ(Δσ-Δσ^p)

式中：

为当前阀门开度偏差，Δσ^p为上一时刻阀门开度偏差，σ为当前时刻阀门开度，由光电码盘输出获得，K_pσ为比例控制增益，K_iσ为积分控制增益，K_dσ为微分控制增益。

⑸构建膝关节角度闭环的外环控制系统；将预先采集的穿戴者膝关节运动轨迹数据作为外环控制系统的参考输入，将外骨骼机器人本体上的膝关节角度编码器输出作为外环控制系统的反馈，采用PID控制算法，将控制器输出给到旋转式换向阀开度闭环(内环)的参考输入端；

在本实施例中，所述步骤3的第(5)步的具体方法为：

构建基于膝关节角度闭环的外环控制系统，控制框图如图9所示。控制器参考输入为预先采集的穿戴者膝关节动作轨迹(支撑期动作轨迹)，反馈输入信号为膝关节角度编码器的输出，参考输入与反馈信号的偏差通过膝关节角度控制器输出控制律，将其作为内环控制系统的参考给定。膝关节角度控制器输出为：

式中：

为当前膝关节角度偏差，

为前一时刻膝关节角度偏差，K_pθ2为比例控制增益，K_iθ2为积分控制增益，K_dθ2为微分控制增益。

步骤4、构建前馈控制器，实现髋关节伺服控制与膝关节伺服控制之间的解耦。

所述步骤4的具体方法为：当髋部液压缸和膝部液压缸同时做伺服控制时，将旋转式换向阀开度参考给定信号与反馈信号作差，然后将差值输入到前馈补偿控制器，控制器输出的控制律叠加到液压泵转电机驱动器。

在本实施例中，所述步骤4的具体方法为：旋转式换向阀开度给定与反馈信号的偏差通过前馈补偿控制器Gf(s),输出前馈控制律，其直接作用与液压泵转电机驱动器。当髋部液压缸和膝部液压缸同时动作时，前馈控制可以补偿换向阀动作对髋部液压缸伺服控制带来扰动。控制器采用PD控制,控制器输出为：

U_f＝K_pf*Δσ+K_df(Δσ-Δσ^p)

式中：Δσ为旋转式换向阀门开度给定与反馈信号之间的偏差，Δσ^p为前一时刻开度偏差值，K_pf为前馈控制器的比例控制增益，K_df为前馈控制器的微分控制增益。前馈控制只有在对髋部液压缸进行伺服控制的时候才施加，而当步态相位处于摆动期，前馈控制设置为无效状态。

Claims (9)

1.一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统，其特征在于：包括伺服控制器、电机驱动模块、微小液压系统、机器人本体和反馈测量单元；所述伺服控制器的输出端与电机驱动模块相连接，用于对控制算法进行解算，输出控制信号到电机驱动模块；所述电机驱动模块的输出端与微小液压系统相连接，用于驱动液压泵驱动电机和旋转式换向阀驱动电机动作；所述微小液压系统的输出端与机器人本体上的髋关节和膝关节相连接，用于驱动外骨骼机器人的关节动作；所述微小液压系统还通过反馈测量单元与伺服控制器相连接，用于为液压伺服控制提供信号反馈；所述机器人本体上的髋关节和膝关节还通过反馈测量单元与伺服控制器相连接，用于为液压伺服控制提供信号反馈；

所述微小液压系统分为左、右对称的下肢液压驱动单元，每个下肢液压驱动单元主要由单个油箱、单个髋关节液压缸、单个膝关节液压缸、单个液压泵、单个液压泵驱动电机及其同轴装配的转速编码器、单个旋转式换向阀、单个旋转式换向阀驱动电机以及与其同轴装配的光电码盘、若干安全阀、液控单向阀和油压传感器构成；其中，与液压泵驱动电机同轴安装的转速编码器的输出端与伺服控制器相连接，用于将液压泵转速信息发送到伺服控制器；所述光电码盘的输出端与伺服控制器连接，用于将伺服阀的开度信息输出至伺服控制器；所述油压传感器的输出端与伺服控制器连接，用于将油缸压力信息输出至伺服控制器。

2.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统，其特征在于：所述伺服控制器包括FPGA模块和DSP模块，所述FPGA模块和DSP模块相连接，实现数据通讯；该FPGA模块包括系统时序控制模块、传感器信息采样模块、驱动控制模块和接口通讯模块，所述系统时序控制模块分别与传感器信息采集模块、驱动控制模块和接口通讯模块连接，用于提供系统定时中断和采样时序控制功能；所述传感器信息采集模块的输入端与外部传感器相连接，其输出端与DSP模块相连接，为传感器信号进入伺服控制器提供接口；所述驱动控制模块的输入端与DSP模块相连接，其输出端与电机驱动模块相连接，用于接收控制器输出的控制率，并将其转换为脉宽调制信号及电机方向信号并作用到电机驱动模块上；所述接口通讯模块的输出端与上位机相连，其输入端与DSP相连，实现伺服控制器与上位机通讯。

3.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统，其特征在于：所述机器人本体包括髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和足部；所述髋关节与液压驱动单元中的髋关节液压缸连接，做主动伸缩运动；所述膝关节与液压驱动单元中的膝关节液压缸连接，做主动伸缩运动；所述踝关节为被动关节，无液压驱动；所述大腿两端分别连接髋关节和膝关节；所述小腿两端分别连接膝关节和踝关节；所述足部一端连接踝关节。

4.根据权利要求1所述的一种外骨骼机器人用微小型液压伺服控制系统，其特征在于：所述反馈测量单元包括膝关节角度编码器、髋关节角度编码器、液压泵转速编码器、旋转式换向阀开度编码器、足底压力传感器和液压缸油压传感器，该反馈测量单元的关节角度编码器、液压泵转速编码器、旋转式换向阀开度编码器、足底压力传感器和液压缸油压传感器的输出端分别与伺服控制器相连接，为液压伺服控制提供状态反馈。

5.一种如权利要求1-4任一项权利要求所述的一种外骨骼机器人用微小型液压控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采集足底压力信号，并进行步态相位识别；

步骤2、根据步骤1的步态相位识别结果，选择步态相位所对应的髋关节参考运动轨迹，构建基于髋关节角度—液压泵转速的双闭环控制策略，对髋关节液压缸的伺服控制；

步骤3、根据步骤1的步态相位识别结果选择膝关节液压缸的控制模式；

步骤4、构建前馈控制器，实现髋关节伺服控制与膝关节伺服控制之间的解耦。

6.根据权利要求5所述的一种外骨骼机器人用微小型液压控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：利用足底压力传感器分别检测外骨骼机器人足底前脚掌和后脚跟部位上的压力；将压力数据输出至伺服控制器中的FPGA接口上，FPGA中内嵌步态相位识别算法，对步态相位进行识别，将人体步态相位划分为摆动前期、摆动后期、支撑前期、支撑中期和支撑后期。

7.根据权利要求5所述的一种外骨骼机器人用微小型液压控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：

⑴根据步骤1中步态相位识别结果选择当前步态相位所对应的髋关节参考运动轨迹，将其作为髋关节液压缸伺服控制的参考给定；

⑵采用双闭环控制算法实现对髋关节液压缸伺服控制，其中液压泵电机转速闭环作为控制系统内环，髋关节角度闭环为控制系统外环；

⑶构建基于液压泵转速闭环的内环控制系统，控制器参考输入为髋关节角度闭环控制器的输出；其反馈信号为液压泵驱动电机转速编码器反馈的液压泵转速信号；控制器中的算法选用PID算法，控制器输出到液压泵电机的驱动模块，驱动模块输出激励信号驱动液压泵电机旋转，泵转速控制器的具体形式为：

U_n＝K_pnΔn+K_in∑Δn+K_dn(Δn-Δn^p)

式中，

是液压泵电机给定转速与反馈转速之间的偏差，Δn^p为前一时刻转速偏差,K_pn为比例控制增益，K_in为积分控制控制器，K_dn为微分控制增益，电机转速n通过对特定时间间隔内增量式光电编码器输出脉冲进行计数而获得，即n＝ΔN/Ts，采样时间间隔取为Ts＝0.5ms；采用五阶FIR滤波器对转速信号进行低通滤波，截至频率设为600Hz，滤波器参数为：

Γ＝[0.0102,0.1177,0.3721,0.3721,0.1177,0.0102]

⑷构建基于髋关节角度闭环的外环控制系统，控制器输入为依据步态相位设定的髋关节参考动作轨迹，反馈信号为外骨骼机器人本体上的髋关节角度编码器发送来的角度信息；髋关节参考角度与反馈量的偏差通过髋关节角度控制器，然后输出控制律并将其作为液压泵转速闭环控制的给定；髋关节角度控制器输出为：

式中：

是髋关节角位置参考值与编码器反馈值之间的偏差，Δθ^p为前一时刻角度偏差，K_pθ1为比例控制增益，K_iθ1为积分控制增益，K_dθ1为微分控制增益。

8.根据权利要求5所述的一种外骨骼机器人用微小型液压控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：

⑴当步骤1中步态相位识别结果为摆动期时，将旋转式换向阀切换到“缩”位，膝关节液压缸与油箱联通，膝关节液压缸不具备驱动能力，穿戴者拖动膝关节自由摆动；所述摆动期包括摆动前期和摆动后期；

⑵当步骤1中步态相位识别结果为支撑期时，膝关节需要主动产生支撑力，对膝部液压缸施加主动控制；采用基于膝关节角度—旋转式换向阀开度的双闭环控制策略，实现对膝关节液压缸的伺服控制；所述支撑期包括支撑前期、支撑中期和支撑后期；

⑶所述基于膝关节角度—旋转式换向阀开度的双闭环控制算法的内环为旋转式换向阀的开度闭环控制，外环为膝关节角度闭环控制；

⑷构建基于旋转式换向阀开度伺服控制的内环控制系统，控制器参考输入为膝关节角度闭环控制器的输出，反馈输入信号为光电码盘的输出，参考输入与反馈输入信号的偏差通过阀门开度控制器，控制器输出控制律，并将其直接输出到直流电机驱动器上驱动伺服阀电机产生旋转运动；伺服阀开度控制器的具体形式为：

U_σ＝K_pσΔσ+K_iσ∑Δσ+K_dσ(Δσ-Δσp)

式中：

为当前阀门开度偏差，Δσ^p为上一时刻阀门开度偏差，σ为当前时刻阀门开度，由光电码盘输出获得，K_pσ为比例控制增益，K_iσ为积分控制增益，K_dσ为微分控制增益；

⑸构建基于膝关节角度闭环的外环控制系统，控制器参考输入为依据步态相位设定的膝关节参考动作轨迹，反馈输入信号为外骨骼机器人本体上膝关节角度编码器的输出，参数输入与反馈信号的偏差通过膝关节角度控制器输出控制律，将其作为内环控制器的参考给定；膝关节角度控制器输出为：

式中：

为当前膝关节角度偏差，

为前一时刻膝关节角度偏差，K_pθ2为比例控制增益，K_iθ2为积分控制增益，K_dθ2为微分控制增益。

9.根据权利要求5所述的一种外骨骼机器人用微小型液压控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤4的具体方法为：旋转式换向阀开度参考给定与反馈信号的偏差通过前馈补偿控制器Gf(s),输出前馈控制律，其直接作用与液压泵转电机驱动器；当髋部液压缸和膝部液压缸同时动作时，前馈控制可以补偿由于换向阀动作而对髋部液压缸伺服控制产生的扰动；控制器采用PD控制,控制器输出为：

U_f＝K_pf*Δσ+K_df(Δσ-Δσ^p)

式中：Δσ为旋转式换向阀门开度参考给定与反馈信号之间的偏差，Δσ^p为前一时刻开度偏差值；前馈控制只有在对膝关节液压缸进行伺服控制的时候才施加，而当步态相位处于摆动期，前馈控制设置为无效状态。

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