CN110442947B - 融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于下肢机器人仿真领域，并具体公开了一种融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台及仿真方法，该仿真平台采用模块化设计，包括机器人动力学模型模块、拟人步态规划模块和平衡模块，机器人动力学模型模块用于构建虚拟被控对象，其包括实体子模块、刚性变换子模块和转动关节子模块，转动关节子模块包括主动关节子模块和被动关节子模块；拟人步态规划模块和平衡模块均与机器人动力学模型模块相连，拟人步态规划模块用于生成虚拟被控对象的期望关节角度，平衡模块用于限制虚拟被控对象的质心过度运动；该仿真平台的构建简单高效，并融合平衡策略，满足下肢机器人步态仿真对平衡的需求，模块化设计便于不同仿真功能的快速切换。

Description

融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台及仿真方法

技术领域

本发明属于下肢机器人仿真领域，更具体地，涉及一种融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台及仿真方法。

背景技术

具有人体行走特征的下肢机器人，如双足机器人、下肢外骨骼机器人等，是当前机器人研究的热点之一。步态控制是这类机器人研究的重要内容，其中，平衡是步态控制的首要前提。机器人平衡步态控制与动力学、步态规划、控制算法等内容密切相关，由于动力学仿真可以对步态规划、控制算法等进行测试，成本低且无安全风险，因此，虚拟仿真平台在下肢机器人研究中发挥着无可替代的作用。

然而，目前常用的机器人系统仿真软件，如Adams、V-Rep等，其主要功能是基于物理引擎进行多体动力学仿真，但由于下肢机器人还涉及到步态规划、步态相位检测、自动控制等多个领域，在上述软件中构建下肢机器人多功能仿真平台较为困难；若采用上述软件进行下肢机器人动力学仿真，研发人员还需要针对实际下肢机器人的硬件(驱动、传感器等)重新设计开发相应的程序模块，以实现对应的功能，开发效率不高；并且步态控制需维持平衡，因此机器人步态控制的仿真在常规动力学仿真的基础上，还需要对平衡做特殊考虑，增加行走的平衡策略。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台及仿真方法，其目的在于，在下肢机器人动力学仿真平台中增加平衡模块限制虚拟被控对象的质心过度运动，并以此作为平衡策略，结合机器人动力学模型模块和拟人步态规划模块，实现下肢机器人仿真，且仿真平台构建简单高效，模块化设计便于不同仿真功能的快速切换。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，本发明提出了一种融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台，采用模块化设计，包括机器人动力学模型模块、拟人步态规划模块和平衡模块，其中：

所述机器人动力学模型模块用于构建虚拟被控对象，其包括实体子模块、刚性变换子模块和转动关节子模块，所述实体子模块包括虚拟被控对象的各个部位，所述刚性变换子模块用于确定虚拟被控对象各个部位之间的相对位置，所述转动关节子模块用于构建连接虚拟被控对象各个部位的转动关节，其包括主动关节子模块和被动关节子模块；以此，由实体子模块和刚性变换子模块确定虚拟被控对象的各个部位及其之间的相对位置，并由转动关节子模块按此相对位置对虚拟被控对象的各个部位进行连接，完成虚拟被控对象的构建；

所述拟人步态规划模块和所述平衡模块均与所述机器人动力学模型模块相连，所述拟人步态规划模块用于生成虚拟被控对象的期望关节角度，使虚拟被控对象按期望关节角度进行行走；所述平衡模块用于限制虚拟被控对象的质心过度运动，使虚拟被控对象在行走时保持平衡。

作为进一步优选的，所述主动关节子模块通过所述拟人步态规划模块生成的期望关节角度计算各主动关节力矩，所述主动关节子模块共设有两套，其中一套主动关节子模块利用关节逆动力学关系计算各主动关节力矩，另一套主动关节子模块通过自定义控制算法计算各主动关节力矩。

作为进一步优选的，该仿真平台具有动力学测试仿真和控制算法测试仿真两种仿真模式：进行动力学测试仿真时，仿真平台自动选用包含关节逆动力学关系的主动关节子模块进行主动关节力矩计算；进行控制算法测试仿真时，仿真平台自动选用包含自定义控制算法的主动关节子模块进行主动关节力矩计算。

作为进一步优选的，还包括用户交互界面。

作为进一步优选的，该仿真平台基于Matlab中的Simulink构建而成。

按照本发明的另一方面，提供了一种融合平衡策略的下肢机器人仿真方法，采用如上所述的仿真平台实现，包括如下步骤：

S1通过机器人动力学模型模块构建虚拟被控对象：由实体子模块构成虚拟被控对象躯干、大腿、小腿和足部，由刚性变换子模块确定躯干、大腿、小腿和足部的相对位置，由转动关节子模块构成的连接躯干、大腿、小腿和足部的转动关节，转动关节分为由主动关节子模块构成的主动关节和由被动关节子模块构成的被动关节；

S2拟人步态规划模块通过预设的期望轨迹时间序列生成期望的关节角度，并传输给主动关节子模块，所述主动关节子模块进而根据期望的关节角度计算得到虚拟被控对象行走时的主动关节力矩，使虚拟被控对象按此主动关节力矩进行行走；

S3平衡模块为虚拟被控对象提供辅助力矩，使虚拟被控对象行走时保持平衡，从而进行步行仿真。

作为进一步优选的，所述S3中通过虚拟被控对象躯干的倾角、角速度和角加速度来计算辅助力矩。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明在仿真平台中增加了平衡模块，其可提供辅助力矩限制虚拟被控对象质心的过度运动，并以此作为平衡策略，满足了下肢机器人步态仿真对平衡的需求。

2.本发明的仿真平台通过模块化设计，实现了不同的仿真功能(动力学测试、控制算法测试)的快速切换，易于替换仿真中所用的步态规划、控制算法等方法且易于拓展其他功能，可用于步态规划方法测试、优化系统动力学参数以及测试控制算法控制精度等。

3.本发明的仿真平台基于Matlab中的Simulink构建而成，Simulink中有丰富的基础模块，可满足构建下肢机器人动力学仿真平台的需求，其中Simscape库里的模块可以满足物理建模仿真的需要，使构建具有多种功能的下肢机器人动力学仿真平台更加高效。

4.本发明的仿真平台中验证通过的Simulink控制仿真程序，可以直接导入工控机Simulink Real-time，实现下肢机器人的硬件在环控制，缩短开发周期。

附图说明

图1是本发明实施例下肢机器人动力学仿真平台各模块间关系示意图；

图2是本发明实施例动力学测试仿真时的主动关节子模块示意图；

图3是本发明实施例控制算法测试仿真时的主动关节子模块示意图；

图4是本发明实施例构建的截瘫助行下肢外骨骼动力学模型示意图；

图5是本发明实施例模拟受试者穿戴截瘫助行外骨骼4s步行实验的动力学测试仿真效果图；

图6是图5所示的4s动力学测试仿真时足底力的测量结果，其中(a)为左脚摩擦力随时间的变化，(b)为左脚地面反作用力随时间的变化，(c)为右脚摩擦力随时间的变化，(d)为右脚地面反作用力随时间的变化；

图7是图5所示的4s动力学测试仿真时主动关节矢状面内的关节力矩图，其中(a)为左髋关节力矩随时间的变化，(b)为左膝关节力矩随时间的变化，(c)为左踝关节力矩随时间的变化，(d)为右髋关节力矩随时间的变化，(e)为右膝关节力矩随时间的变化，(f)为右踝关节力矩随时间的变化。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台，如图1所示，包括机器人动力学模型模块、拟人步态规划模块、传感器模块、平衡模块和用户交互界面(如功能菜单)，其中：

所述机器人动力学模型模块用于构建机器人动力学模型，即虚拟被控对象，其包括实体子模块、刚性变换子模块和转动关节子模块，实体子模块包括虚拟被控对象的各个部位，刚性变换子模块用于确定虚拟被控对象各个部位之间的相对位置，转动关节子模块用于构建连接虚拟被控对象各个部位的转动关节，其包括主动关节子模块和被动关节子模块；以此，以此，由实体子模块和刚性变换子模块确定虚拟被控对象的各个部位及其之间的相对位置，并由转动关节按此相对位置对虚拟被控对象的各个部位进行连接，完成虚拟被控对象的构建；

拟人步态规划模块用于生成期望关节角度，并传输给主动关节子模块，主动关节子模块通过此期望关节角度计算各主动关节力矩，使虚拟被控对象按期望关节角度进行行走；

传感器模块用于实时监测实体子模块中躯干的倾角、角速度和角加速度，并传输给平衡模块；

平衡模块通过基于实体子模块中躯干的倾角、角速度和角加速度的比例控制，提供辅助力矩限制虚拟被控对象质心过度运动，从而平衡虚拟被控对象，使虚拟被控对象在行走时保持平衡；

优选的，主动关节子模块共设有两套，其中一套主动关节子模块利用关节逆动力学关系计算各主动关节力矩，另一套主动关节子模块采用自定义控制算法(如自适应导纳控制算法等)计算各主动关节力矩；

用户交互界面用于输入相关参数和进行平台功能模式选择，功能选项包括动力学测试仿真和控制算法测试仿真；具体的，如图2所示，当选择动力学测试仿真功能时，平台调用包含关节逆动力学关系的主动关节子模块，则根据期望关节角度和系统动力学参数，该主动关节子模块自动计算并提供行走所需的主动关节力矩，该功能可以用于测试步态规划方法的性能或用于优化系统动力学参数，如通过足底力等指标评估步态规划的效果；如图3所示，当选择控制算法测试仿真功能时，平台调用需自定义控制算法的主动关节子模块，则可自主设计控制算法并进行下肢机器人的控制验证，如通过关节角度误差等指标评估控制算法的精度(图2和图3中点划线表示主动关节子模块的输入量，虚线表示主动关节子模块的输出)。

具体的，该仿真平台基于Matlab中的Simulink(一种可视化仿真工具)构建而成。

上述仿真平台可以用于截瘫助行下肢外骨骼、双足机器人等下肢机器人平衡行走的步态仿真，具体包括如下步骤：

S1通过用户交互界面选择所需功能，当选择动力学测试仿真模式时，平台自动调用包含关节逆动力学关系的主动关节子模块；当选择控制算法测试仿真模式时，平台则调用包含自定义控制算法的主动关节子模块，此时用户自行设计相关控制算法；

S2通过机器人动力学模型模块构建虚拟被控对象；

具体的，由实体子模块构成虚拟被控对象的躯干、大腿、小腿和足部，刚性变换子模块确定躯干、大腿、小腿和足部间的位置关系，主动关节子模块构成连接躯干、大腿、小腿和足部矢状面内屈伸的主动关节，更具体的，躯干和大腿间为髋关节，大腿和小腿间为膝关节，小腿和足部间为踝关节，并且虚拟被控对象的小腿和足部间有由被动关节子模块构成踝关节内外翻被动关节；

S3拟人步态规划模块通过预设的期望轨迹时间序列生成期望的关节角度，并传输给主动关节子模块，所述主动关节子模块进而根据期望的关节角度和系统动力学参数，通过其中的逆动力学关系或控制算法，计算得到虚拟被控对象行走时的主动关节力矩，使虚拟被控对象按此主动关节力矩进行行走；行走时当踝关节达到或超过内外翻的极限角度时，踝关节内外翻被动关节自动提供力矩进行限位，防止踝关节过度内外翻；

S4平衡模块通过传感器模块实时检测躯干的倾角、角速度和角加速度，并通过躯干的倾角、角速度和角加速度来计算需给虚拟被控对象提供的辅助力矩，使虚拟被控对象平衡行走，进行步行仿真；

S5将仿真结果中的运动学、动力学数据(各关节角度、关节力矩，足底力，维持平衡的辅助力矩等)导出至Matlab工作区继续进行后续分析。

以下为具体实施例：

实施例1

采用上述仿真平台进行截瘫助行下肢外骨骼的动力学测试仿真，具体包括如下步骤：

S1通过功能菜单选择动力学测试仿真功能，仿真平台调用包含关节逆动力学关系的主动关节子模块，如图2所示；

S2构建虚拟被控对象，其包括躯干及两侧的大腿、小腿和足部，且一共包含8个自由度，两侧各4个自由度，具体如图4所示，每侧包含矢状面内髋关节、膝关节和踝关节屈伸的三个主动自由度和踝关节内外翻的被动自由度；

S3拟人步态规划模块采用曲线拟合工具箱中八阶正弦和的方法对单次步行所测得的实际关节角度进行拟合，得到预设的期望轨迹时间序列，其拟合精度如表1所示；进而拟人步态规划模块根据预设的期望轨迹时间序列规划连续的矢状面期望关节角度，并将矢状面期望关节角度传输给主动关节子模块，主动关节子模块根据期望关节角度和系统动力学参数，计算得到虚拟被控对象行走时的主动关节力矩；

表1关节角度拟合精度

关节	左髋	左膝	左踝	右髋	右膝	右踝
							精度	0.9907	0.9836	0.9271	0.9823	0.9873	0.9049

具体的，系统动力学参数具体包括：由于模拟的被控对象为穿戴助行外骨骼的截瘫患者，故将受试者躯干简化为一个等效质量块，等效质量块的相关尺寸及质量参数按照“Winter D A.Biomechanics and Motor Control of Human Movement[M].University ofWaterloo Press,1987”中所述方法计算；其余各部分的等效长度参数由受试者身高乘以相应的比例参数求得，比例参数同样来源于上述文献中的统计结果，其等效质量参数则由受试者和外骨骼对应部位质量相加求得；主动关节子模块中的各关节阻抗参数设置为人群中的平均阻抗参数；

另外，在机器人动力学模型模块中添加接触力模型和重力场，世界坐标系的Y方向为竖直方向，设置重力加速度为[0,-9.81,0](单位：m·s^-2)；由于行走时所受到的地面摩擦力为静摩擦力，而静摩擦系数与速度线性相关，因此将足底接触力模型简化如式(1)所示：

其中，K_p、K_v、K_vt分别代表接触力模型中的接触刚度、竖直方向和水平面内的接触阻尼，μ为地面摩擦系数，y为竖直方向足部的形变，dx、dy、dz表示足部速度，f_y表示竖直方向的支撑力，f_xz表示水平面内的摩擦力。

S4平衡模块采用限制质心过度运动的方法保证行走动态平衡，即基于躯干的倾角、角速度和角加速度的比例控制计算辅助力矩，给虚拟被控对象提供辅助力矩，使虚拟被控对象平衡行走，进行步行仿真并获取仿真结果数据；

具体的：

其中，k_α、k_β、k_λ是比例控制中的三个比例参数，q、

分别表示躯干的倾角、角速度和角加速度，T表示限制质心过度运动所需的辅助力矩，该辅助力矩由拐杖等辅助器械提供；

S5将仿真结果数据导出至Matlab工作区，如图5所示，模拟出穿戴截瘫助行外骨骼的受试者4s步态动力学测试仿真的效果图，图中相邻的两个结果间隔0.5s；图6和图7分别为此动力学测试仿真实验中的足底力和矢状面主动关节力矩的仿真结果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台，其特征在于，采用模块化设计，包括机器人动力学模型模块、拟人步态规划模块和平衡模块，其中：

所述机器人动力学模型模块用于构建虚拟被控对象，其包括实体子模块、刚性变换子模块和转动关节子模块，所述实体子模块包括虚拟被控对象的各个部位，所述刚性变换子模块用于确定虚拟被控对象各个部位之间的相对位置，所述转动关节子模块用于构建连接虚拟被控对象各个部位的转动关节，其包括主动关节子模块和被动关节子模块，主动关节子模块用于构建连接躯干、大腿、小腿和足部矢状面内屈伸的主动关节，被动关节子模块用于构建虚拟被控对象的小腿和足部间的踝关节内外翻被动关节；行走时当踝关节达到或超过内外翻的极限角度时，踝关节内外翻被动关节自动提供力矩进行限位，防止踝关节过度内外翻；以此，由实体子模块和刚性变换子模块确定虚拟被控对象的各个部位及其之间的相对位置，并由转动关节子模块按此相对位置对虚拟被控对象的各个部位进行连接，完成虚拟被控对象的构建；

所述拟人步态规划模块和所述平衡模块均与所述机器人动力学模型模块相连，所述拟人步态规划模块用于生成虚拟被控对象的期望关节角度，使虚拟被控对象按期望关节角度进行行走；所述平衡模块根据虚拟被控对象躯干的倾角、角速度和角加速度计算辅助力矩，然后为虚拟被控对象提供辅助力矩，从而限制虚拟被控对象的质心过度运动，使虚拟被控对象在行走时保持平衡；

所述主动关节子模块通过所述拟人步态规划模块生成的期望关节角度计算各主动关节力矩，所述主动关节子模块共设有两套，其中一套主动关节子模块利用关节逆动力学关系计算各主动关节力矩，另一套主动关节子模块通过自定义控制算法计算各主动关节力矩；

该仿真平台具有动力学测试仿真和控制算法测试仿真两种仿真模式：进行动力学测试仿真时，仿真平台自动选用包含关节逆动力学关系的主动关节子模块进行主动关节力矩计算；进行控制算法测试仿真时，仿真平台自动选用包含自定义控制算法的主动关节子模块进行主动关节力矩计算。

2.如权利要求1所述的融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台，其特征在于，还包括用户交互界面。

3.如权利要求1或2所述的融合平衡策略的下肢机器人动力学仿真平台，其特征在于，该仿真平台基于Matlab中的Simulink构建而成。

4.一种融合平衡策略的下肢机器人仿真方法，采用如权利要求1-3任一项所述的仿真平台实现，其特征在于，包括如下步骤：

S1 通过机器人动力学模型模块构建虚拟被控对象：由实体子模块构成虚拟被控对象躯干、大腿、小腿和足部，由刚性变换子模块确定躯干、大腿、小腿和足部的相对位置，由转动关节子模块构成的连接躯干、大腿、小腿和足部的转动关节，转动关节分为由主动关节子模块构成的主动关节和由被动关节子模块构成的被动关节；

S2 拟人步态规划模块通过预设的期望轨迹时间序列生成期望的关节角度，并传输给主动关节子模块，所述主动关节子模块进而根据期望的关节角度计算得到虚拟被控对象行走时的主动关节力矩，使虚拟被控对象按此主动关节力矩进行行走；

S3 平衡模块为虚拟被控对象提供辅助力矩，使虚拟被控对象行走时保持平衡，从而进行步行仿真。

5.如权利要求4所述的融合平衡策略的下肢机器人仿真方法，其特征在于，所述S3中通过虚拟被控对象躯干的倾角、角速度和角加速度来计算辅助力矩。

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