CN110561391B - 用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制装置及控制方法，控制方法为S1通过人体惯性传感器采集下肢人体关节角度，并将角度输出给前馈解算器；S2前馈解算器对人体惯性传感器采集到的人体关节角度进行前馈解算处理，并将解算结果作为PID控制器的给定输出给PID控制器；S3PID控制器根据输入的给定以及外骨骼关节角度编码器采集到的外骨骼角度对关节驱动器进行闭环控制；S4关节驱动器根据PID控制器的输出驱动外骨骼关节跟随人体关节运动。本发明实现了外骨骼角度跟随人体运动，最大偏差可控制在2°左右；实验效果显示该发明解决了惯性传感器的延时问题，至少降低了150ms的时延。
Description
技术领域
本发明涉及穿戴式机器人领域，特别是一种用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制装置及控制方法。
背景技术
可穿戴助力机器人是一种新兴复杂的人机交互系统，其以实现助力、提高人类单体负载能力为目的，例如应用于战场救援、物资搬运，可大大提高救援和搬运的效率，同时降低人类单体的疲劳感。
下肢外骨骼系统是一类以增强人体背负能力为目的的可穿戴助力机器人。该系统在实现助力的同时必须具备自主跟随人体运动的能力。通过惯性传感器感知人体关节角度对下肢外骨骼关节驱动器进行控制可以实现其对人体运动的自主随，但是市场上常见的惯性传感器对人体关节运动的角度感知往往存在较大时延。因此在选择使用惯性信息完成随动控制的下肢外骨骼系统中需要解决惯性传感器的延时问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可实现外骨骼角度跟随人体运动，并且可有效地解决跟随过程中时延问题的用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制装置及控制方法。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
一种用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制装置，其特征在于：包括人体惯性传感器、前馈解算器、PID控制器、关节驱动器、外骨骼关节、外骨骼关节角度编码器：所述人体惯性传感器安装在下肢人体关节上，用于感知人体关节角度、并将采集到的人体关节角度输出给前馈解算器；
所述前馈解算器，用于对输入的人体关节角度进行前馈解算出来，并将解算结果输出给PID控制器；
所述外骨骼关节角度编码器，用于采集外骨骼关节角度，并将角度输出给PID控制器，所述PID控制器，用于接收前馈解算器的输出的角度值和外骨骼关节角度编码器的输出的结算结构，并输出控制命令给关节驱动器；
所述关节驱动器，用于根据PID控制器的输出驱动外骨骼关节跟随人体关节运动；
所述外骨骼关节穿戴于下肢人体关节外。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
一种用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制方法，所述控制方法基于上述控制装置，步骤为：
S1通过人体惯性传感器采集下肢人体关节角度，并将角度输出给前馈解算器；
S2前馈解算器对人体惯性传感器采集到的人体关节角度进行前馈解算处理，并将解算结果作为PID控制器的给定输出给PID控制器；
S3 PID控制器根据输入的给定以及外骨骼关节角度编码器采集到的外骨骼角度对关节驱动器进行闭环控制；
S4关节驱动器根据PID控制器的输出驱动外骨骼关节跟随人体关节运动。
而且的，S2中的前馈解算处理过程，包括如下步骤：
S21、读取安装在人体关节的惯性传感器感知的关节角度Ar；
S22、缓存连续两个时刻的关节角度，通过差值计算出关节角速度V，公式如下：
V＝(Ar(t2)-Ar(t1))/(t2-t1)，其中t2、t1为前后相邻的两个采样时刻；
S23、根据公式Ac＝Ar+a*V获取前馈计算的关节角度Ac，其中a为前馈控制因子，；
S24、根据公式Hc＝K*Ac+P获取坐标转换后的外骨骼关节角度给定，其中K和P为人体关节角度到外骨骼关节角度坐标转换的参量；
S25、根据安全限幅值Hmin和Hmax对Hc进行限幅操作，当Hc>Hmax时Hc＝Hmax，当Hc<Hmin时Hc＝Hmin；其中外骨骼关节前摆至限位处外骨骼关节编码器输出作为Hmax；外骨骼关节后摆至限位处外骨骼关节编码器输出作为Hmin。
本发明具有的优点和积极效果：
本发明通过前馈算法器实现对惯性信息的解算，以解算结果作为输入通过经典PID控制器实现对下肢外骨骼关节驱动器的闭环控制，从而实现外骨骼角度跟随人体运动，最大偏差可控制在2°左右；实验效果显示该发明解决了惯性传感器的延时问题，至少降低了150ms的时延。
附图说明
图1为用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制方法控制框图；
图2为前馈解算器解算过程的流程图；
图中：Ar为安装在人体关节上的惯性传感器感知的人体关节角度；V为根据人体关节角度计算得到的关节角速度；a为前馈控制因子；Ac为前馈计算得到的人体关节角度；K和P为人体关节角度到外骨骼关节角度坐标转换的参量；Hc为坐标转换得到的外骨骼关节角度输入。Hmin和Hmax为外骨骼角度的安全限幅值。
图3为前馈控制方法的角度跟随效果图；图中：曲线a为人体关节运动过程惯性传感器采集的人体关节角度，曲线b为人体关节运动过程前馈解算器计算得到的人体关节角度，曲线c为下肢外骨骼关节角度编码器采集到的下肢外骨骼的角度，曲线d为人体关节运动过程前馈解算器输出的下肢外骨骼关节角度的给定值。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制装置，请参见图1，其发明点为：包括人体惯性传感器、前馈解算器、PID控制器、关节驱动器、外骨骼关节、外骨骼关节角度编码器：其中人体惯性传感器采用基于mems的惯性测量单元。
所述人体惯性传感器安装在下肢人体关节上，用于感知人体关节角度、并将采集到的人体关节角度输出给前馈解算器；
所述前馈解算器，用于对输入的人体关节角度进行前馈解算出来，并将解算结果输出给PID控制器；
所述外骨骼关节角度编码器，用于采集外骨骼关节角度，并将角度输出给PID控制器，所述PID控制器，用于接收前馈解算器的输出的角度值和外骨骼关节角度编码器的输出的结算结构，并输出控制命令给，关节驱动器；
所述关节驱动器，用于根据PID控制器的输出驱动外骨骼关节跟随人体关节运动；
所述外骨骼关节穿戴于下肢人体关节外。
一种用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制方法，所述控制方法基于上述控制装置，步骤为：
S1通过人体惯性传感器采集下肢人体关节角度，并将角度输出给前馈解算器；
S2前馈解算器对人体惯性传感器采集到的人体关节角度进行前馈解算处理，并将解算结果作为PID控制器的给定输出给PID控制器；
S3 PID控制器根据输入的给定以及外骨骼关节角度编码器采集到的外骨骼角度对关节驱动器进行闭环控制：具体的：
以外骨骼角度作为PID控制器的反馈，其通过外骨骼关节角度编码器采集得到，以前馈解算器解算角度作为PID控制器输入给定，PID控制器根据反馈与给定的偏差e(t)依据PID算法计算得到关节驱动器的输出量u(t)并给定至关节驱动器，公式如下：
u(t)＝Kp*e(t)+Ki*∫e(t)dt+Kd*de(t)/dt
其中Kp,Ki,Kd分别为比例参数、积分参数、微分参数，这些参数均为系统试验中确定最优值。
S4关节驱动器根据PID控制器的输出驱动外骨骼关节跟随人体关节运动。
如图2所述，上述S2中的前馈解算处理过程，包括如下步骤：
S21、读取安装在人体关节的惯性传感器感知的关节角度Ar；
S22、缓存连续两个时刻的关节角度，通过差值计算出关节角速度V，公式如下：
V＝(Ar(t2)-Ar(t1))/(t2-t1)，其中t2、t1为前后相邻的两个采样时刻；
S23、根据公式Ac＝Ar+a*V获取前馈计算的关节角度Ac，其中a为前馈控制因子，a为经验值，系统试验中确定最优值：
S24、根据公式Hc＝K*Ac+P获取坐标转换后的外骨骼关节角度给定，其中K和P为人体关节角度到外骨骼关节角度坐标转换的参量，K、P为测试试验总结得到；
S25、根据安全限幅值Hmin和Hmax对Hc进行限幅操作，当Hc>Hmax时Hc＝Hmax，当Hc<Hmin时Hc＝Hmin；其中外骨骼关节前摆至限位处外骨骼关节编码器输出作为Hmax；外骨骼关节后摆至限位处外骨骼关节编码器输出作为Hmin。
图3所示为本发明的前馈控制方法的控制效果，曲线a与曲线b比较：曲线b相对于曲线a相位提前了大约150ms，可见前馈解算器较好的解决了惯性传感器的延时问题。曲线c与曲线d比较：最大偏差控制在2°以内，可见前馈控制算法可以使得髋关节能够较好的跟随人体关节运动。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (1)
1.一种用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制方法，其特征在于：该控制方法采用的用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制装置，控制装置包括人体惯性传感器、前馈解算器、PID控制器、关节驱动器、外骨骼关节、外骨骼关节角度编码器；
所述人体惯性传感器安装在下肢人体关节上，用于感知人体关节角度、并将采集到的人体关节角度输出给前馈解算器；
所述前馈解算器，用于对输入的人体关节角度进行前馈解算出来，并将解算结果输出给PID控制器；
所述外骨骼关节角度编码器，用于采集外骨骼关节角度，并将角度输出给PID控制器；
所述PID控制器，用于接收前馈解算器的输出的角度值和外骨骼关节角度编码器的输出的解算结果，并输出控制命令给关节驱动器；
所述关节驱动器，用于根据PID控制器的输出驱动外骨骼关节跟随人体关节运动；
所述外骨骼关节穿戴于下肢人体关节外；
控制方法步骤为：
S1通过人体惯性传感器采集下肢人体关节角度，并将角度输出给前馈解算器；
S2前馈解算器对人体惯性传感器采集到的人体关节角度进行前馈解算处理，并将解算结果作为PID控制器的给定输出给PID控制器；
S3 PID控制器根据输入的给定以及外骨骼关节角度编码器采集到的外骨骼角度对关节驱动器进行闭环控制：
S4关节驱动器根据PID控制器的输出驱动外骨骼关节跟随人体关节运动；
S2中的前馈解算处理过程，包括如下步骤：
S21、读取安装在人体关节的惯性传感器感知的关节角度Ar；
S22、缓存连续两个时刻的关节角度，通过差值计算出关节角速度V,公式如下：
V = (Ar(t2) - Ar(t1))/(t2 - t1)，其中t2、t1为前后相邻的两个采样时刻：
S23、根据公式Ac = Ar + a*V获取前馈计算的关节角度Ac，其中a为前馈控制因子；
S24、根据公式Hc = K*Ac+P获取坐标转换后的外骨骼关节角度给定，其中K和P为人体关节角度到外骨骼关节角度坐标转换的参量；
S25、根据安全限幅值Hmin和Hmax对Hc进行限幅操作，当Hc>Hmax时Hc = Hmax，当Hc <Hmin时Hc = Hmin；其中外骨骼关节前摆至限位处外骨骼关节编码器输出作为Hmax ；外骨骼关节后摆至限位处外骨骼关节编码器输出作为Hmin。
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