CN109262613B - 一种应用于运动辅助型外骨骼的合力场控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于运动辅助型外骨骼的合力场控制方法及装置，属于外骨骼技术领域，方法包括，根据获取的外骨骼给定位置运动轨迹和当前位置，计算当前位置和期望位置的位置误差；建立可视化合力场模型，依据所述位置误差，合力场产生纠正位置误差的力分量和牵拉外骨骼末端运动的力分量；进行合力场输出力控制，输出助力辅助外骨骼运动。本发明可应用于康复外骨骼、助力增强型外骨骼等系统，具有算法简单、安全性高等优点。

Description

一种应用于运动辅助型外骨骼的合力场控制方法及装置

技术领域

本发明涉及外骨骼技术领域，尤其是一种应用于运动辅助型外骨骼的合力场控制方法及装置。

背景技术

外骨骼机器人是一种可穿戴式的助力装备(提供力学辅助)。

目前，国内外的各类外骨骼机器人既有应用基于运动学/动力学传感信息的控制算法，例如广泛应用于机器人系统的PID控制、计算力矩控制、导纳控制和阻抗控制等方法，并根据系统具体特点做部分改进，融合例如神经网络控制、模糊控制等；还有一部分外骨骼机器人采用基于生物电信息的控制算法，但目前生物电信息更多地用于定性地应用于触发式控制，而生物电信息解码由于准确度不高，其用于过程控制并不可靠。因此，外骨骼主流做法还是基于运动学/动力学信号反馈的控制方法，核心的理念依然是实现基于人机友好交互地动力学控制策略。

从外骨骼的应用角度讲，外骨骼控制算法的设计不是着眼于高精度的轨迹运动控制而是强调人机动力交互性能，使外骨骼能够稳定地按需辅助肢体的运动。从这个角度来讲，常用的机器人控制方法用于运动辅助型外骨骼并不完全切合其控制目标。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种应用于运动辅助型外骨骼的合力场控制方法及装置，对外骨骼的运动辅助力进行规划，使外骨骼辅助人实现运动，同时提高外骨骼控制算法的响应速度。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种面向运动辅助型外骨骼的合力场控制方法，包括如下步骤：

根据获取的外骨骼给定位置运动轨迹和当前位置，计算当前位置和期望位置的位置误差；

建立可视化合力场模型，依据所述位置误差，利用合力场模型产生纠正位置误差的力分量和牵拉所述外骨骼末端运动的力分量；

进行合力场输出力控制，输出助力辅助外骨骼运动。

进一步地，所述当前位置和期望位置的位置误差d_i＝Δp_i＝|p_i-p′_i|，式中，当前位置p′_i为外骨骼末端位置，期望位置p_i为所述外骨骼给定位置运动轨迹上距离当前位置p′_i最近点的位置。

进一步地，所述建立的可视化合力场模型为沿着所述给定位置运动轨迹的截面为圆形的管体空间。

进一步地，所述合力场模型输出力包括法向力f_n和切向力f_t；

所述法向力f_n为纠正位置误差的力分量，方向沿轨迹线的法向方向

用于纠正外骨骼的位置运动误差，控制外骨骼的位置运动不偏离期望轨迹；

所述切向力f_t为牵拉所述外骨骼末端运动的力分量，方向沿轨迹线的切向方向

用于牵拉所述外骨骼末端运动，使外骨骼沿期望位置轨迹而运动。

进一步地，所述法向力f_n和切向力f_t表示为

式中a₁为法向力比例系数、a₂为切向力比例系数；S为合力场模型圆形截面的半径；d_i为当前位置和期望位置的位置误差；

为当前期望位置p_i到末位置p_n距离与初始位置p₀到末位置p_n距离的比值。

进一步地，所述进行合力场输出力控制包括：判断外骨骼末端当前位置p′_i与建立的合力场模型的位置关系；当位置误差d_i＞S时，输出助力F＝f_n；当位置误差d_i≤S，输出助力F＝f_n+f_t。

一种面向运动辅助型外骨骼的合力场控制装置，包括位置误差计算模块、合力场模块和助力输出模块；

所述位置误差计算模块，用于计算外骨骼前位置和期望位置的位置误差；

合力场模块，与所述位置误差计算模块连接，用于建立可视化合力场模型，依据所述位置误差，产生纠正误差的力分量和牵拉所述外骨骼末端运动的力分量；

助力输出模块，分别与所述位置误差计算模块和合力场模块连接，用于控制合力场的输出力，辅助外骨骼运动。

进一步地，所述误差计算模块的输入为外骨骼给定位置运动轨迹和当前位置；输出为当前位置和期望位置的位置误差d_i＝Δp_i＝|p_i-p′_i|，式中，p′_i为外骨骼末端位置为当前位置，p_i为所述外骨骼给定位置运动轨迹上距离当前位置p′_i最近的点。

进一步地，所述合力场模块输出的产生纠正误差的力分量为法向力f_n，牵拉所述外骨骼末端运动的力分量为切向力f_t；所述法向力f_n和切向力f_t表示为：

式中a₁为法向力比例系数、a₂为切向力比例系数；S为合力场模型圆形截面的半径；d_i为当前位置和期望位置的位置误差；

为当前期望位置p_i到末位置p_n距离与初始位置p₀到末位置p_n距离的比值。

进一步地，所述助力输出模块，首先判断外骨骼末端当前位置p′_i与建立的合力场模型的位置关系；当位置误差d_i＞S时，输出力F＝f_n；当位置误差d_i≤S，输出力F＝f_n+f_t。

本发明有益效果如下：

本发明给出的面向运动辅助型外骨骼的合力场控制方法及装置，能够针对使用者的助力需求设置控制参数，做到“按需辅助”。使用者对控制参数所含物理意义的理解度较高，控制方法直观易于参数调试，可应用于康复外骨骼、助力增强型外骨骼等系统，具有算法简单、安全性高等优点。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中合力场控制方法流程图；

图2为本发明实施例中空间位置误差表示图；

图3为本发明实施例中合力场模型示意图；

图4为本发明实施例中合力场控制装置组成连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明实施例公开了一种面向运动辅助型外骨骼的合力场控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S1、根据获取的外骨骼给定位置运动轨迹和当前位置，计算当前位置和期望位置的位置误差；

如图2所示，对于运动辅助型外骨骼，给定的运动轨迹，即为期望轨迹，在给定的轨迹上的点为三维空间中一系列的期望位置簇；外骨骼末端位置为当前位置p'_i(x'_i,y'_i,z'_i)，轨迹线的初始位置位移为p₀，末位置为p_n，距离当前位置最近的点为期望位置p_i(x_i,y_i,z_i)；则，当前位置和期望位置的位置误差大小d_i＝Δp_i＝|p_i-p′_i|。图中，轨迹线的法向和切向方向分别为

和

步骤S2、建立可视化合力场模型，依据所述位置误差，合力场产生纠正位置误差的力分量和牵拉所述外骨骼末端运动的力分量；

如图3所示，建立的可视化的合力场模型为沿着位置轨迹的截面为圆形的管体空间；

圆形截面的半径为S；半径S根据在控制率设计时，可容忍的最大轨迹跟踪误差确定，即，半径S可取不大于设定的轨迹跟踪误差。

合力场辅助力输出包括两个力分量：法向力f_n和切向力f_t，

法向力f_n——纠正位置误差的力分量，方向沿轨迹线的法向方向

大小为位置误差d_i的函数，d_i越大，f_n越大，其作用是让上肢位置运动不偏离期望轨迹；

切向力f_t——牵拉所述外骨骼末端运动的力分量，方向沿轨迹线的切向方向

大小为位置误差d和当前位置相对运动轨迹的行程比率r的函数，d_i越小，r越大，f_t越大，其作用是提供上肢沿期望位置轨迹而运动的推进力，其中，行程比率r定义为为当前期望位置到末位置的距离与初始位置到末位置的距离的比值：

进一步地，引入法向力比例系数a₁和切向力比例系数a₂，基于指数函数来建立包括法向力f_n和切向力f_t的辅助力函数：

在本实施例中，通过位置空间表示法及位置误差建立了直观的、可视化的合力场模型，设计合理的量化映射函数将位置误差转化为纠正误差的力分量和牵拉末端运动的力分量。

步骤S3、基于建立的合力场模型，进行合力场输出力控制，输出助力辅助外骨骼运动。

具体包括如下过程：

1)判断外骨骼末端当前位置p′_i与建立的合力场模型的位置关系；当d_i＞S时，进入2)；当d_i≤S，进入3)；

2)由于位置误差d_i＞S，外骨骼末端当前位置在合力场外部，此时，助力的目的是将外骨骼末端拉回正确的运动轨迹；因此，输出的助力F＝f_n；

3)由于位置误差d_i≤S，外骨骼末端当前位置在合力场内部，此时，助力的目的是将外骨骼末端拉回正确的运动轨迹并牵拉末端沿着运动轨迹做运动；因此，输出的助力F＝f_n+f_t。

本实施例还公开了一种面向运动辅助型外骨骼的合力场控制装置，如图4所示，包括位置误差计算模块、合力场模块和助力输出模块；

具体的，位置误差计算模块，用于计算外骨骼前位置和期望位置的位置误差；

误差计算模块的输入为外骨骼给定位置运动轨迹和当前位置；输出为当前位置和期望位置的位置误差d_i＝Δp_i＝|p_i-p′_i|，式中，p′_i为外骨骼末端位置为当前位置，p_i为所述外骨骼给定位置运动轨迹上距离当前位置p′_i最近的点。

合力场模块，与位置误差计算模块连接，用于建立可视化合力场模型，依据所述位置误差，产生纠正误差的力分量和牵拉所述外骨骼末端运动的力分量；

合力场模块输出的产生纠正误差的力分量为法向力f_n，牵拉所述外骨骼末端运动的力分量为切向力f_t；

本实施例采用的法向力f_n和切向力f_t表示为：

式中a₁为法向力比例系数、a₂为切向力比例系数；S为合力场模型圆形截面的半径；d_i为当前位置和期望位置的位置误差；

为当前期望位置p_i到末位置p_n的距离与初始位置位移p₀的比值。

本实施例建立的法向力f_n和切向力f_t的表达式，将位置误差d_i转化为纠正误差的力分量f_n和牵拉末端运动的力分量f_t，建立了直观的、可视化的合力场模型，便于根据位置误差对外骨骼的运动进行控制。

助力输出模块，分别与所述位置误差计算模块和合力场模块连接，用于控制合力场的输出力，辅助外骨骼运动。

助力输出模块首先判断外骨骼末端当前位置p′_i与建立的合力场模型的位置关系；

当位置误差d_i＞S时，外骨骼末端当前位置在合力场外部，此时，助力的目的是将外骨骼末端拉回正确的运动轨迹；输出的助力F＝f_n；

当位置误差d_i≤S时，外骨骼末端当前位置在合力场内部，此时，助力的目的是将外骨骼末端拉回正确的运动轨迹并牵拉末端沿着运动轨迹做运动；输出的助力F＝f_n+f_t。

综上所述，本发明实施例给出的面向运动辅助型外骨骼的合力场控制方法及装置，能够针对使用者的助力需求设置控制参数，当判断外骨骼末端位置在合力场外部，将外骨骼末端拉回正确的运动轨迹，当判断外骨骼末端位置在合力场内部，将外骨骼末端拉回正确的运动轨迹并牵拉末端沿着运动轨迹做运动，做到“按需辅助”。使用者对控制参数所含物理意义的理解度较高，控制方法直观易于参数调试，可应用于康复外骨骼、助力增强型外骨骼等系统，具有算法简单、安全性高等优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向运动辅助型外骨骼的合力场控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据获取的外骨骼给定位置运动轨迹和当前位置，计算当前位置和期望位置的位置误差；

建立可视化合力场模型，依据所述位置误差，利用合力场模型产生纠正位置误差的力分量和牵拉所述外骨骼末端运动的力分量；

进行合力场输出力控制，输出助力辅助外骨骼运动；

所述可视化合力场模型为沿着所述给定位置运动轨迹的截面为圆形的管体空间；所述合力场模型输出力包括法向力f_n和切向力f_t；

所述法向力f_n为纠正位置误差的力分量，方向沿轨迹线的法向方向

用于纠正外骨骼的位置运动误差，控制外骨骼的位置运动不偏离期望轨迹；

所述切向力f_t为牵拉所述外骨骼末端运动的力分量，方向沿轨迹线的切向方向

用于牵拉所述外骨骼末端运动，使外骨骼沿期望位置轨迹而运动；

所述法向力f_n和切向力f_t表示为

式中a₁为法向力比例系数、a₂为切向力比例系数；S为合力场模型圆形截面的半径；d_i为当前位置和期望位置的位置误差；

为当前期望位置p_i到末位置p_n距离与初始位置p₀到末位置p_n距离的比值。

2.根据权利要求1所述的合力场控制方法，其特征在于，所述当前位置和期望位置的位置误差d_i＝Δp_i＝|p_i-p′_i|，式中，当前位置p′_i为外骨骼末端位置，期望位置p_i为所述外骨骼给定位置运动轨迹上距离当前位置p′_i最近点的位置。

3.根据权利要求1所述的合力场控制方法，其特征在于，所述进行合力场输出力控制包括：判断外骨骼末端当前位置p′_i与建立的合力场模型的位置关系；当位置误差d_i＞S时，输出助力F＝f_n；当位置误差d_i≤S，输出助力F＝f_n+f_t。

4.一种面向运动辅助型外骨骼的合力场控制装置，其特征在于，包括位置误差计算模块、合力场模块和助力输出模块；

所述位置误差计算模块，用于计算外骨骼当前位置和期望位置的位置误差；根据获取的外骨骼给定位置运动轨迹和当前位置，计算当前位置和期望位置的位置误差；

合力场模块，与所述位置误差计算模块连接，用于建立可视化合力场模型，依据所述位置误差，产生纠正误差的力分量和牵拉所述外骨骼末端运动的力分量；所述可视化合力场模型为沿着所述给定位置运动轨迹的截面为圆形的管体空间；

助力输出模块，分别与所述位置误差计算模块和合力场模块连接，用于控制合力场的输出力，辅助外骨骼运动；

所述合力场模块输出的产生纠正误差的力分量为法向力f_n，牵拉所述外骨骼末端运动的力分量为切向力f_t；所述法向力f_n和切向力f_t表示为：

式中a₁为法向力比例系数、a₂为切向力比例系数；S为合力场模型圆形截面的半径；d_i为当前位置和期望位置的位置误差；

当前期望位置p_i到末位置p_n距离与初始位置p₀到末位置p_n距离的比值。

5.根据权利要求4所述的合力场控制装置，其特征在于，

所述位置误差计算模块的输入为外骨骼给定位置运动轨迹和当前位置；输出为当前位置和期望位置的位置误差d_i＝Δp_i＝|p_i-p′_i|，式中，p′_i为外骨骼末端位置为当前位置，p_i为所述外骨骼给定位置运动轨迹上距离当前位置p′_i最近的点。

6.根据权利要求4所述的合力场控制装置，其特征在于，所述助力输出模块，首先判断外骨骼末端当前位置p′_i与建立的合力场模型的位置关系；当位置误差d_i＞S时，输出力F＝f_n；当位置误差d_i≤S，输出力F＝f_n+f_t。

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