CN110834329A - 外骨骼控制方法及装置 - Google Patents

外骨骼控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了外骨骼控制方法及装置。涉及机器人控制领域，其中，方法通过获取惯性传感器和编码器的用户数据，用户数据包括：惯性传感器采集的躯干角度值及对应的躯干角速度值、编码器采集的左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值，根据用户数据判断用户意图得到用户运动状态，然后根据运动状态选择对应的控制模式，最后根据不同的控制模式发送控制信号到驱动器驱动电机进行外骨骼控制。通过运动意图识别，可针对不同运动状态提供不同的控制模式，针对不同运动状态给穿戴者提供不同的助力模式，实现行走弯腰过程中仅补偿重力，提升重物抬腰过程中提供助力，跟随穿戴者意图运动，有效减少弯腰和行走过程人机对抗产生的能耗，具有更好的助力效果。

Description

外骨骼控制方法及装置
技术领域
本发明涉及机器人控制领域，尤其是一种外骨骼控制方法及装置。
背景技术
目前很多人由于需要长期长时间处于弯腰、半蹲的状态，长时间维持同一姿势不仅很容易出现疲惫、注意力下降等情况，导致工作效率下降，危险性增加，同时给作业工人带来了许多健康、安全隐患，如腰肌劳损、腰椎损伤等疾病。目前已有大量的外骨骼出现在辅助工人作业的领域，例如，铁甲钢拳外骨骼采用气-液-电混合驱动的方式，有强劲的扭矩输出和反应速度，能够满足穿戴者基本关节旋转和基本动作，但是其驱动方式为气动，需要通过气管连接外部气源，只能应用于固定工位的情况；又比如，赤源动力科技有限责任公司生产的外骨骼，通过机械结构设计，外骨骼能够在无需动力输入的情况下跟随人体灵活移动，但是该方案为无源结构，只能依靠穿戴者弯腰压缩弹簧储能提供搬运助力，增加了穿戴者能耗，因此需要提出一种能够提供腰部助力并减少能量消耗和腰肌劳损的外骨骼控制方法。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的是提供一种能够提供腰部助力并减少能量消耗和腰肌劳损的外骨骼控制方法。
本发明所采用的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种外骨骼控制方法，包括：
获取惯性传感器和编码器采集的用户数据，所述用户数据包括：所述惯性传感器采集的躯干角度值及对应的躯干角速度值、所述编码器采集的左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值；
根据所述用户数据判断用户意图得到用户运动状态，所述用户运动状态包括：第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态和第四运动状态；
根据所述运动状态选择对应的控制模式，所述控制模式包括：助力模式和随动模式；
根据不同的控制模式发送控制信号到驱动器驱动电机进行所述外骨骼控制。
进一步地，判断用户意图具体为：
设定起始状态为第一运动状态；
当所述躯干角度值大于等于第一阈值，并且躯干角速度大于等于第二阈值时，切换当前用户运动状态为第二运动状态；
当所述躯干角度值大于等于第三阈值，且左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值之差的绝对值小于第四阈值，同时髋关节角度平均值的方差小于第五阈值，切换当前用户运动状态为第三运动状态；
当所述第三运动状态持续时间大于第六阈值时，切换当前用户运动状态为第一运动状态；
当所述第三运动状态持续时间小于第六阈值，且髋关节角度平均值出现峰值，同时髋关节角度平均值的方差大于第七阈值时，切换当前用户运动状态为第四运动状态；
当所述躯干角度值小于第八阈值，且至少满足以下一个条件：所述髋关节角度平均值的方差小于第九阈值或髋关节角度平均值出现波谷值，切换当前用户运动状态为第一运动状态。
进一步地，当处于所述第四运动状态时，选择所述助力模式，当处于其他用户运动状态时，选择所述随动模式。
进一步地，所述随动模式为力矩PID控制模式，具体为：
根据关节期望力矩、关节实际力矩和进行重力补偿得到的关节补偿力矩计算力矩误差；
结合所述力矩误差和PID控制系数计算得到驱动器控制量；
利用所述驱动器控制量驱动电机进行所述外骨骼控制。
进一步地，所述助力模式为阻抗控制模式，具体为：
根据关节转动期望角度和关节实际转动角度计算关节转动角度误差；
根据所述关节转动角度误差进行阻抗控制，计算得到关节期望力矩；
根据关节期望力矩、关节实际力矩和进行重力补偿得到的关节补偿力矩计算力矩误差；
结合所述力矩误差和PID控制系数计算得到驱动器控制量；
利用所述驱动器控制量驱动电机进行所述外骨骼控制。
进一步地，所述随动模式下所述关节期望力矩设置为零。
进一步地，所述重力补偿具体为：根据关节转动角度以及系统补偿系数计算得到关节补偿力矩。
第二方面，本发明还提供一种外骨骼控制装置，包括：
获取用户数据模块：用于获取惯性传感器和编码器的用户数据，所述用户数据包括：所述惯性传感器采集的躯干角度值及对应的躯干角速度值、所述编码器采集的左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值；
判断用户意图模块：用于根据所述用户数据判断用户意图得到用户运动状态，所述用户运动状态包括：第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态和第四运动状态；
选择控制模式模块：用于根据所述运动状态选择对应的控制模式，所述控制模式包括：助力模式和随动模式；
外骨骼控制模块：用于根据不同的控制模式发送控制信号到驱动器驱动电机进行所述外骨骼控制。
第三方面，本发明还提供一种外骨骼，利用如第一方面任一项所述的一种外骨骼控制方法进行控制。
第四方面，一种外骨骼控制设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述处理器通过调用所述存储器中存储的计算机程序，用于执行如第一方面任一项所述的方法。
本发明的有益效果是：
本发明通过获取惯性传感器和编码器的用户数据，用户数据包括：惯性传感器采集的躯干角度值、编码器采集的左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值，根据用户数据判断用户意图得到包括第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态和第四运动状态在内的用户运动状态，然后根据运动状态选择对应的控制模式，其中，控制模式包括：助力模式和随动模式，最后根据不同的控制模式发送控制信号到驱动器驱动电机进行外骨骼控制。通过运动意图识别，可针对不同运动状态提供不同的控制模式，针对不同运动状态给穿戴者提供不同的助力模式，从而实现行走、弯腰过程中仅补偿重力，提升重物抬腰过程提供助力，跟随穿戴者意图运动，与现有无源版腰部助力外骨骼相比，能够有效减少弯腰和行走过程人机对抗产生的能耗，具有更好的助力效果，可广泛应用于外骨骼助力领域。
附图说明
图1是本发明中外骨骼控制方法的一具体实施例的实现流程图；
图2是本发明中外骨骼控制方法的一具体实施例的用户运动状态切换示意图；
图3是本发明中外骨骼控制方法的一具体实施例的重力补偿示意图；
图4是本发明中外骨骼控制方法的一具体实施例的系统结构示意图；
图5是本发明中外骨骼控制方法的一具体实施例的控制流程示意图；
图6是本发明中外骨骼控制装置的一具体实施例的结构框图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例一：
本发明实施例一提供一种外骨骼控制方法，图1为本发明实施例提供的一种外骨骼控制方法的实现流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1：获取惯性传感器和编码器采集的用户数据。
本实施例中，用户数据包括：惯性传感器采集的躯干角度值及对应的躯干角速度值、编码器采集的左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值，惯性传感器指由3个加速度计和3个陀螺仪组成的组合单元，并且加速度计和陀螺仪安装在互相垂直的测量轴上进行躯干角度值的采集，编码器用于采集左右两个髋关节的旋转角度值，可选的，躯干角度值指矢状面上躯干与重力竖直方向的夹角，前倾为正，后仰为负。
S2：根据用户数据判断用户意图得到用户运动状态，具体的，用户运动状态包括：第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态和第四运动状态；
S3：根据运动状态选择对应的控制模式，控制模式包括：助力模式和随动模式，具体的，当处于第四运动状态时，选择助力模式，当处于其他用户运动状态时，选择随动模式。
S4：根据不同的控制模式发送控制信号到驱动器驱动电机进行外骨骼控制。
如图2所示，为本实施例中用户运动状态切换示意图，即判断用户意图得到用户运动状态，从图中可以看出，设定起始状态为第一运动状态(即行走状态)，当躯干角度值大于等于第一阈值f1，并且躯干角速度大于等于第二阈值f2时，切换当前用户运动状态为第二运动状态(即弯腰状态)；当躯干角度值大于等于第三阈值f3，且左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值之差的绝对值小于第四阈值f4，同时髋关节角度平均值(左右髋关节角度的平均值)的方差(通过多次采集计算得到)小于第五阈值f5，切换当前用户运动状态为第三运动状态(即抓取重物状态)；当第三运动状态持续时间大于第六阈值f6时，切换当前用户运动状态为第一运动状态(即行走状态)，当第三运动状态持续时间小于第六阈值f6，且髋关节角度平均值出现峰值，同时髋关节角度平均值的方差大于第七阈值f7时，切换当前用户运动状态为第四运动状态(即提升重物状态)；当躯干角度值小于第八阈值f8，且至少满足以下一个条件：髋关节角度平均值的方差小于第九阈值f9或髋关节角度平均值出现波谷值，切换当前用户运动状态为第一运动状态(即行走状态)。
本实施例中，第一阈值～第九阈值均是根据实际动作采集获取的值，能够反应用户处于不同用户运动状态时，惯性传感器和编码器采集到不同的值，根据采集的值判断用户运动状态，例如第一阈值可选的是10°～30°之间的值，第二阈值可选的是0.1rad/s～1.5rad/s之间的值，即当采集的用户躯干角度值大于等于第一阈值，并且躯干角速度(反应用户的弯腰速度)大于等于第二阈值时，切换当前用户运动状态为第二运动状态(即弯腰状态)，以此类推，判断用户运动状态。
同理，第三阈值可选的是30°～90°之间的值，第四阈值可选的是5°～20°之间的值，第五阈值可选的是2～10，第六阈值可选的是2s～10s，第七阈值可选的是5～20，第八阈值可选的是0°～10°，第九阈值可选的是1～8，上述仅做取值示意，不做限定，凡是能够通过上述意图识别过程识别出用户运动状态的判断数值，均能作为本实施例的阈值取值。
步骤S3中，控制模式包括：助力模式和随动模式，具体的两种控制模式如下所述。
1)随动模式为力矩PID控制模式：
S311：根据关节期望力矩、关节实际力矩和进行重力补偿得到的关节补偿力矩计算力矩误差，表示为：
eT＝Td-Tact+Tg (1)
其中，Td表示关节期望力矩，通过阻抗控制计算得到，Tact表示关节实际力矩，通过惯性传感器测量得到，Tg表示关节补偿力矩，通过重力补偿公式计算得到，eT表示力矩误差。
S312：结合力矩误差和PID控制系数计算得到驱动器控制量，表示为：
Figure BDA0002235314510000051
其中，∫eT·dt表示力矩误差的积分，
Figure BDA0002235314510000064
表示力矩误差的微分，kp、ki、kd表示PID控制系数，分别为PID控制的比例、积分、微分系数，均可通过实验数据拟合得到，u表示驱动器控制量。
S313：利用驱动器控制量驱动电机进行外骨骼控制。
并且，随动模式下关节期望力矩Td设置为零。
2)助力模式为阻抗控制模式：
S321：根据关节转动期望角度和关节实际转动角度计算关节转动角度误差，表示为：eq＝qd-qact (3)
其中，qd表示关节转动期望角度，可通过程序实时规划生成，qact表示关节实际转动角度，通过惯性传感器测量得到，eq表示关节转动角度误差。
S322：根据关节转动角度误差进行阻抗控制，计算得到关节期望力矩，表示为：
Figure BDA0002235314510000061
其中，Td表示关节期望力矩，
Figure BDA0002235314510000062
表示关节转动角度误差的微分，ai表示阻抗控制刚度系数，bi表示阻抗控制阻尼系数，阻抗控制刚度系数和阻抗控制阻尼系数可以通过实验数据拟合得到。
S323：根据关节期望力矩、关节实际力矩和进行重力补偿得到的关节补偿力矩计算力矩误差，计算同公式(1)。
S324：结合力矩误差和PID控制系数计算得到驱动器控制量，计算同公式(2)。
S325：利用驱动器控制量驱动电机进行外骨骼控制。
如图3所示，为本实施例重力补偿示意图，如图所示，重力补偿具体为：根据关节转动角度以及系统补偿系数计算得到关节补偿力矩，例如对摆动侧腿进行重力补偿，包括膝关节补偿和髋关节补偿，即重力补偿力矩Tg相应的包括膝关节补偿力矩和髋关节补偿力矩，公示表示为：
Tknee＝kknee·sin(θk+θh) (5)
Figure BDA0002235314510000063
其中，Tknee表示膝关节补偿力矩，Thip表示髋关节补偿力矩，θk表示膝关节转动角度，θh表示髋关节转动角度，kknee、khip1、khip2分别表示系统辨识系数，该系数通过实验数据拟合得到。
如图4所示，为本实施例的系统结构示意图，包括惯性传感器01、编码器02、主控板03、驱动器04及电机05，惯性传感器01和编码器02实时采集用户数据，主控板03获取采集的数据并判断用户意图，进行用户运动状态切换，同时对应匹配不同的控制模式(随动模式和助力模式)，当用户处于第四运动状态时，外骨骼控制选择助力模式，当处于其他用户运动状态时，选择随动模式，并将不同控制模式下的控制信号(驱动器控制量)发送给驱动器04，以驱动电机05运动实现外骨骼的闭环控制。
如图5所示，为本实施例控制流程示意图，首先采集用户数据，进行用户运动意图判断，如果当前处于第四运动状态(即提升重物状态)时，进入助力模式，即根据关节转动期望角度qd和关节实际转动角度qact计算关节转动角度误差eq，然后进行阻抗控制，即计算得到关节期望力矩Td，结合关节期望力矩Td、关节实际力矩Tact和进行重力补偿得到的关节补偿力矩Tg计算力矩误差eT，结合力矩误差eT和PID控制系数进行PID控制，计算得到驱动器控制量u，根据驱动器控制量u驱动电机进行人机交互，即实现对外骨骼的控制。
如果当前并非出于第四运动状态(即提升重物状态)时，进行随动控制，即根据关节期望力矩Td(处于随动模式时，该值为零)、关节实际力矩Tact和进行重力补偿得到的关节补偿力矩Tg计算力矩误差eT，结合力矩误差eT和PID控制系数进行PID控制，计算得到驱动器控制量u，根据驱动器控制量u驱动电机进行人机交互，即实现对外骨骼的控制。
本实施例通过运动意图识别，可针对不同运动状态提供不同的控制模式，针对不同运动状态给穿戴者提供不同的助力模式，从而实现行走、弯腰过程中提供助力的功能，在弯腰和行走过程中仅补偿重力，跟随穿戴者意图运动，与现有无源版腰部助力外骨骼相比，能够有效减少弯腰和行走过程人机对抗产生的能耗，具有更好的助力效果。
实施例二：
如图6所示，为本实施例提供的一种外骨骼控制装置结构框图，用于执行如实施例一所述的一种外骨骼控制方法，包括：
获取用户数据模块10：用于获取惯性传感器和编码器的用户数据，用户数据包括：惯性传感器采集的躯干角度值、编码器采集的左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值；
判断用户意图模块20：用于根据用户数据判断用户意图得到用户运动状态，用户运动状态包括：第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态和第四运动状态；
选择控制模式模块30：用于根据运动状态选择对应的控制模式，控制模式包括：助力模式和随动模式；
外骨骼控制模块40：用于根据不同的控制模式发送控制信号到驱动器驱动电机进行外骨骼控制。
实施例三：
一种外骨骼，只要能够利用如实施例一任一项所述的一种外骨骼控制方法进行控制，即属于本实施例的保护范围。
另外，一种外骨骼控制设备，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，处理器通过调用存储器中存储的计算机程序，用于执行如实施例一任一项所述的方法。
本发明通过获取惯性传感器和编码器的用户数据，用户数据包括：惯性传感器采集的躯干角度值、编码器采集的左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值，根据用户数据判断用户意图得到包括第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态和第四运动状态在内的用户运动状态，然后根据运动状态选择对应的控制模式，其中，控制模式包括：助力模式和随动模式，最后根据不同的控制模式发送控制信号到驱动器驱动电机进行外骨骼控制，可广泛应用于外骨骼助力领域。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种外骨骼控制方法，其特征在于，包括：
获取惯性传感器和编码器采集的用户数据，所述用户数据包括：所述惯性传感器采集的躯干角度值及对应的躯干角速度值、所述编码器采集的左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值；
根据所述用户数据判断用户意图得到用户运动状态，所述用户运动状态包括：第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态和第四运动状态；
根据所述运动状态选择对应的控制模式，所述控制模式包括：助力模式和随动模式；
根据不同的控制模式发送控制信号到驱动器驱动电机进行所述外骨骼控制。
2.根据权利要求1所述的一种外骨骼控制方法，其特征在于，判断用户意图具体为：
设定起始状态为第一运动状态；
当所述躯干角度值大于等于第一阈值，并且躯干角速度大于等于第二阈值时，切换当前用户运动状态为第二运动状态；
当所述躯干角度值大于等于第三阈值，且左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值之差的绝对值小于第四阈值，同时髋关节角度平均值的方差小于第五阈值，切换当前用户运动状态为第三运动状态；
当所述第三运动状态持续时间大于第六阈值时，切换当前用户运动状态为第一运动状态；
当所述第三运动状态持续时间小于第六阈值，且髋关节角度平均值出现峰值，同时髋关节角度平均值的方差大于第七阈值时，切换当前用户运动状态为第四运动状态；
当所述躯干角度值小于第八阈值，且至少满足以下一个条件：所述髋关节角度平均值的方差小于第九阈值或髋关节角度平均值出现波谷值，切换当前用户运动状态为第一运动状态。
3.根据权利要求1所述的一种外骨骼控制方法，其特征在于，当处于所述第四运动状态时，选择所述助力模式，当处于其他用户运动状态时，选择所述随动模式。
4.根据权利要求1所述的一种外骨骼控制方法，其特征在于，所述随动模式为力矩PID控制模式，具体为：
根据关节期望力矩、关节实际力矩和进行重力补偿得到的关节补偿力矩计算力矩误差；
结合所述力矩误差和PID控制系数计算得到驱动器控制量；
利用所述驱动器控制量驱动电机进行所述外骨骼控制。
5.根据权利要求1所述的一种外骨骼控制方法，其特征在于，所述助力模式为阻抗控制模式，具体为：
根据关节转动期望角度和关节实际转动角度计算关节转动角度误差；
根据所述关节转动角度误差进行阻抗控制，计算得到关节期望力矩；
根据关节期望力矩、关节实际力矩和进行重力补偿得到的关节补偿力矩计算力矩误差；
结合所述力矩误差和PID控制系数计算得到驱动器控制量；
利用所述驱动器控制量驱动电机进行所述外骨骼控制。
6.根据权利要求4所述的一种外骨骼控制方法，其特征在于，所述随动模式下所述关节期望力矩设置为零。
7.根据权利要求4至6任一项所述的一种外骨骼控制方法，其特征在于，所述重力补偿具体为：根据关节转动角度以及系统补偿系数计算得到关节补偿力矩。
8.一种外骨骼控制装置，其特征在于，包括：
获取用户数据模块：用于获取惯性传感器和编码器的用户数据，所述用户数据包括：所述惯性传感器采集的躯干角度值及对应的躯干角速度值、所述编码器采集的左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值；
判断用户意图模块：用于根据所述用户数据判断用户意图得到用户运动状态，所述用户运动状态包括：第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态和第四运动状态；
选择控制模式模块：用于根据所述运动状态选择对应的控制模式，所述控制模式包括：助力模式和随动模式；
外骨骼控制模块：用于根据不同的控制模式发送控制信号到驱动器驱动电机进行所述外骨骼控制。
9.一种外骨骼，其特征在于，利用如权利要求1至7任一项所述的一种外骨骼控制方法进行控制。
10.一种外骨骼控制设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；
其中，所述处理器通过调用所述存储器中存储的计算机程序，用于执行如权利要求1至7任一项所述的方法。
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