CN110802592B - 基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制系统及方法，系统包括控制器、泵驱动电机驱动器、微小液压系统以及传感测量装置；所述控制器的输入端与传感测量装置连接，实现控制算法解算，其输出端与泵驱动电机驱动器连接，输出控制信号到泵驱动电机驱动器；所述泵驱动电机驱动器与微小液压系统连接，用于驱动液压泵驱动电机运动来驱动液压缸动作。本发明实现了电液驱动单元主动柔顺控制，提高了外骨骼机器人与穿戴者之间动作协调性。

Description

基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制系统及方法

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，涉及一种基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制系统及控制方法。

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，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。

驱动单元为穿戴者提供直接辅助力矩支撑，液压驱动以其具有的功率密度大、抗干扰能力强、能承受较大的冲击和过载等优点广泛应用于重载机动型外骨骼系统，例如美国的BLEEX、HULC和XOS外骨骼系统，以及中国兵器工业202所单兵外骨骼。然而现有基于位置控制的液压驱动方式使得外骨骼机器人与穿戴者之间动作不协调，一方面限制了外骨骼人机系统机动能力，另一方面可能会给穿戴者造成人身伤害，严重影响了液压驱动外骨骼机器人的工程化应用。

针对人机运动相互干涉、不协调问题，一些学者尝试在外骨骼与穿戴者之间增加柔性绑带以及在液压活塞杆上装配串联弹性装置(SEA)，但是这两种方案不能从根本上解决液压驱动外骨骼关节与人体关节之间运动不一致的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可实现电液驱动单元主动柔顺控制，可提高外骨骼机器人与穿戴者之间动作协调性的外骨骼机器人电液伺服控制系统及控制方法。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制系统，其特征在于：包括控制器、泵驱动电机驱动器、微小液压系统以及传感测量装置；所述控制器的输入端与传感测量装置连接，实现控制算法解算，其输出端与泵驱动电机驱动器连接，输出控制信号到泵驱动电机驱动器；所述泵驱动电机驱动器与微小液压系统连接，用于驱动液压泵驱动电机运动来驱动液压缸动作；

所述微小液压系统为控制系统的执行装置，实现驱动与传动功能，包括了油箱、液压缸、液压泵、泵驱动电机、液控单向阀；液压泵两侧分别与液压缸的有杆腔和无杆腔连接，通过液压泵正、反转实现液压缸伸缩运动，通过液压泵调速控制实现液压缸伸缩速度控制；液压缸的有杆腔和无杆腔分别通过液控单向阀与油箱连接，通过液控单向阀提供液压缸补油和排油的控制通路；液压缸的有杆腔和无杆腔分别通过溢流阀与油箱连接，通过溢流阀实现液压系统安全防护；液压泵与泵驱动电机同轴装配连接，通过泵驱动电机带动液压泵旋转运动提供进油、排油动力源；

所述传感测量装置实现控制系统状态监测与状态反馈，它包括拉压力传感器、转速编码器以及行程电位计；拉压力传感器安装于人机绑带连接处，采集人机之间的交互力并将交互力信号发送到控制器；转速编码器与泵驱动电机同轴连接，测量液压泵转速信号并将其发送给控制器；行程电位计安装于液压缸末端，测量液压缸行程位移信号并将其发送给控制器；

所述控制器包括阻抗控制器、位置控制器及泵转速控制器，分别实现有阻抗控制算法、位置控制算法以及泵转速控制算法；所述阻抗控制器通过动态调整人机交互力与人机相对位置之间的关系来实现人机协调柔顺运动，阻抗控制器的输入为人机交互力，经过阻抗控制算法解算输出液压缸给定行程偏差信号，该液压缸行程偏差信号输入到位置控制器；位置控制器实现液压缸位置伺服控制，其参考输入为既定位置轨迹与阻抗控制器输出的行程偏差信号之间的加和，其反馈输入为电位计输出的位置信号，经过位置控制算法解算输出泵转速控制参考信号，该控制参考信号输出到泵转速控制器；所述泵转速控制器实现液压泵转速伺服控制，其参考输入连接到位置控制器输出端，其反馈输入连接到泵转速编码器，经过泵转速控制算法解算，输出PWM控制信号给到泵驱动电机驱动器；

所述泵驱动电机驱动器采用三相逆变电路，通过对泵驱动电机驱动来实现液压泵启停以及调速控制，其输入为泵转速控制器输出的PWM信号，其输出的三相功率信号连接到泵驱动电机三相绕组上。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制方法，其特征在于，控制方法基于上述控制系统，包括如下步骤：

步骤1、阻抗控制器采集人机交互力数据F_c，经过阻抗控制算法，输出液压缸给定行程偏差信号e，阻抗控制算法表示为：

其中K_d为阻尼控制参数，K_s为刚度控制参数；

步骤2、液压缸位置伺服控制的参考轨迹为既定节液压缸运动参考轨迹L_ref和阻抗控制器输出的位置偏差e之间的加和，即

L_d＝L_ref+e；

步骤3、控制器采集电位器输出髋关节液压缸位置信号L，与髋关节液压缸动作参考轨迹值L_d做差，得到位置偏差ΔL，此偏差信号通过位置控制算法，解算得到液压泵转速参考信号n_d，位置控制算法表示为：

其中K_lp为位置控制器比例控制参数，K_li为位置控制器积分控制参数，K_ld为位置控制器微分控制参数；

步骤4、控制器采集转速编码器输出的泵转速信号n，与位置控制输出的液压泵转速参考信号n_d做差，得到转速偏差Δn，该偏差信号通过转速控制算法，解算出泵驱动电机驱动控制信号U_out，液压泵转速控制算法表示为：

其中K_np为液压泵转速控制器的比例控制参数，K_li为液压泵转速控制器的积分控制参数，K_ld为液压泵转速控制器的微分控制参数。

步骤5、电机驱动器控制信号U_out折算成相应的PWM占空比信号并给到电机驱动器上；

步骤6、控制器向电机驱动器发出控制使能信号，驱动器输出三相功率信号作用到泵驱动电机上，液压泵驱动液压油推动油缸动作，完成整个闭环控制。

本发明具有的优点和积极效果：

本发明针对负重外骨骼对电液驱动单元高刚度、大功率密度的需求与人机动作相互干涉、运动不协调之间的固有矛盾，提出基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制系统及控制方法，实现了电液驱动单元主动柔顺控制，使得液压系统具备刚柔并济的能力，在为穿戴者提供有效助力的同时提高人机运动一致性以及穿戴者的舒适性。另一方面，该控制算法应用于底层电液伺服驱动方面，不影响顶层控制算法(如感知和步态规划)的实施。

附图说明

图1是本发明控制系统组成及原理图；

图2是本发明基于阻抗控制的电液伺服控制算法图。

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。

一种基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服系统，请参见图1-2，包括控制器、泵电机驱动器、微小液压系统以及传感测量装置。所述控制器分别与泵驱动电机驱动器和传感测量装置连接，完成外部传感器信息采集与处理，控制算法解算以及输出控制信号到泵驱动电机驱动器；所述泵驱动电机驱动器输出电机功率驱动信号到微小液压系统上的泵驱动电机，实现液压泵启停及调速控制；所述微小液压系统采用直接泵控方式实现外骨骼髋关节液压缸伸缩运动。

上述微小液压系统为控制系统的执行装置，实现驱动与传动功能，包括了油箱、液压缸、液压泵、泵驱动电机、液控单向阀；液压泵两侧分别与液压缸的有杆腔和无杆腔连接，通过液压泵正、反转实现液压缸伸缩运动，通过液压泵调速控制实现液压缸伸缩速度控制；液压缸的有杆腔和无杆腔分别通过液控单向阀与油箱连接，通过液控单向阀提供液压缸补油和排油的控制通路；液压缸的有杆腔和无杆腔分别通过溢流阀与油箱连接，通过溢流阀实现液压系统安全防护；液压泵与泵驱动电机同轴装配连接，通过泵驱动电机带动液压泵旋转运动提供进油、排油动力源；

上述传感测量装置实现控制系统状态监测与状态反馈，它包括拉压力传感器、转速编码器以及行程电位计。拉压力传感器安装于人机绑带连接处，采集人机之间的交互力并将交互力信号发送到控制器；转速编码器与泵驱动电机同轴连接，测量液压泵转速信号并将其发送给控制器；行程电位计安装于液压缸末端，测量液压缸行程位移信号并将其发送给控制器；

上述控制器包括阻抗控制器、位置控制器及泵转速控制器，分别实现有阻抗控制算法、位置控制算法以及泵转速控制算法；所述阻抗控制器通过动态调整人机交互力与人机相对位置之间的关系来实现人机协调柔顺运动，阻抗控制器的输入为人机交互力，经过阻抗控制算法解算输出液压缸给定行程偏差信号，该液压缸行程偏差信号输入到位置控制器；位置控制器实现液压缸位置伺服控制，其参考输入为既定位置轨迹与阻抗控制器输出的行程偏差信号之间的加和，其反馈输入为电位计输出的位置信号，经过位置控制算法解算输出泵转速控制参考信号，该控制参考信号输出到泵转速控制器；所述泵转速控制器实现液压泵转速伺服控制，其参考输入连接到位置控制器输出端，其反馈输入连接到泵转速编码器，经过泵转速控制算法解算，输出PWM控制信号给到泵驱动电机驱动器；

上述泵驱动电机驱动器采用三相逆变电路，通过对泵驱动电机驱动来实现液压泵启停以及调速控制，其输入为泵转速控制器输出的PWM信号，其输出的三相功率信号连接到泵驱动电机三相绕组上。

一种基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制方法，请参见图1-2，其发明点为，基于上述控制系统，其实现步骤为：

步骤1、阻抗控制器采集人机交互力数据F_c，经过阻抗控制算法，输出液压缸给定行程偏差信号e，阻抗控制算法表示为：

其中K_d为阻尼控制参数，K_s为刚度控制参数；

步骤2、液压缸位置伺服控制的参考轨迹为既定节液压缸运动参考轨迹L_ref和阻抗控制器输出的位置偏差e之间的加和，即

L_d＝L_ref+e；

步骤3、控制器采集电位器输出髋关节液压缸位置信号L，与髋关节液压缸动作参考轨迹值L_d做差，得到位置偏差ΔL，此偏差信号通过位置控制算法，解算得到液压泵转速参考信号n_d，位置控制算法表示为：

其中K_lp为位置控制器比例控制参数，K_li为位置控制器积分控制参数，K_ld为位置控制器微分控制参数；

步骤4、控制器采集转速编码器输出的泵转速信号n，与位置控制输出的液压泵转速参考信号n_d做差，得到转速偏差Δn，该偏差信号通过转速控制算法，解算出泵驱动电机驱动控制信号U_out，液压泵转速控制算法表示为：

其中K_np为液压泵转速控制器的比例控制参数，K_li为液压泵转速控制器的积分控制参数，K_ld为液压泵转速控制器的微分控制参数。

步骤5、电机驱动器控制信号U_out折算成相应的PWM占空比信号并给到电机驱动器上；

步骤6、控制器向电机驱动器发出控制使能信号，驱动器输出三相功率信号作用到泵驱动电机上，液压泵驱动液压油推动油缸动作，完成整个闭环控制。

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 (2)

1.一种基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制系统，其特征在于：包括控制器、泵驱动电机驱动器、微小液压系统以及传感测量装置；所述控制器的输入端与传感测量装置连接，实现控制算法解算，其输出端与泵驱动电机驱动器连接，输出控制信号到泵驱动电机驱动器；所述泵驱动电机驱动器与微小液压系统连接，用于驱动液压泵驱动电机运动来驱动液压缸动作；

所述微小液压系统为控制系统的执行装置，实现驱动与传动功能，包括了油箱、液压缸、液压泵、泵驱动电机、液控单向阀；液压泵两侧分别与液压缸的有杆腔和无杆腔连接，通过液压泵正、反转实现液压缸伸缩运动，通过液压泵调速控制实现液压缸伸缩速度控制；液压缸的有杆腔和无杆腔分别通过液控单向阀与油箱连接，通过液控单向阀提供液压缸补油和排油的控制通路；液压缸的有杆腔和无杆腔分别通过溢流阀与油箱连接，通过溢流阀实现液压系统安全防护；液压泵与泵驱动电机同轴装配连接，通过泵驱动电机带动液压泵旋转运动提供进油、排油动力源；

所述传感测量装置实现控制系统状态监测与状态反馈，它包括拉压力传感器、转速编码器以及行程电位计；拉压力传感器安装于人机绑带连接处，采集人机之间的交互力并将交互力信号发送到控制器；转速编码器与泵驱动电机同轴连接，测量液压泵转速信号并将其发送给控制器；行程电位计安装于液压缸末端，测量液压缸行程位移信号并将其发送给控制器；

所述控制器包括阻抗控制器、位置控制器及泵转速控制器，分别实现有阻抗控制算法、位置控制算法以及泵转速控制算法；所述阻抗控制器通过动态调整人机交互力与人机相对位置之间的关系来实现人机协调柔顺运动，阻抗控制器的输入为人机交互力，经过阻抗控制算法解算输出液压缸给定行程偏差信号，该液压缸行程偏差信号输入到位置控制器；位置控制器实现液压缸位置伺服控制，其参考输入为既定位置轨迹与阻抗控制器输出的行程偏差信号之间的加和，其反馈输入为电位计输出的位置信号，经过位置控制算法解算输出泵转速控制参考信号，该控制参考信号输出到泵转速控制器；所述泵转速控制器实现液压泵转速伺服控制，其参考输入连接到位置控制器输出端，其反馈输入连接到泵转速编码器，经过泵转速控制算法解算，输出PWM控制信号给到泵驱动电机驱动器；

所述泵驱动电机驱动器采用三相逆变电路，通过对泵驱动电机驱动来实现液压泵启停以及调速控制，其输入为泵转速控制器输出的PWM信号，其输出的三相功率信号连接到泵驱动电机三相绕组上。

2.一种基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制方法，其特征在于，控制方法基于权利要求1所述的基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制系统，包括如下步骤：

步骤1、阻抗控制器采集人机交互力数据F_c，经过阻抗控制算法，输出液压缸给定行程偏差信号e，阻抗控制算法表示为：

其中K_d为阻尼控制参数，K_ε为刚度控制参数；

步骤2、液压缸位置伺服控制的参考轨迹为既定节液压缸运动参考轨迹L_ref和阻抗控制器输出的液压缸给定行程偏差信号e之间的加和，即

L_d＝L_ref+e；

步骤3、控制器采集电位器输出髋关节液压缸位置信号L，与髋关节液压缸动作参考轨迹值L_d做差，得到位置偏差ΔL，此偏差信号通过位置控制算法，解算得到液压泵转速参考信号n_d，位置控制算法表示为：

其中K_lp为位置控制器比例控制参数，K_li为位置控制器积分控制参数，K_ld为位置控制器微分控制参数；

步骤4、控制器采集转速编码器输出的泵转速信号n，与位置控制输出的液压泵转速参考信号n_d做差，得到转速偏差Δn，该偏差信号通过转速控制算法，解算出泵驱动电机驱动控制信号U_out，液压泵转速控制算法表示为：

其中K_np为液压泵转速控制器的比例控制参数，K_li为液压泵转速控制器的积分控制参数，K_ld为液压泵转速控制器的微分控制参数；

步骤5、电机驱动器控制信号U_out折算成相应的PWM占空比信号并给到电机驱动器上；

步骤6、控制器向电机驱动器发出控制使能信号，驱动器输出三相功率信号作用到泵驱动电机上，液压泵驱动液压油推动油缸动作，完成整个闭环控制。

Images