CN111390877A - 一种外骨骼装置及外骨骼变导纳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种外骨骼装置及外骨骼变导纳控制方法，应用于外骨骼机器人领域，本发明的外骨骼装置采用弯曲的刚性结构机械臂构成，并在关节处配备机械硬限位和光电软限位，当外骨骼系统的运动范围超出设定的安全区间时，刚性限位柱将会遮挡红外光电传感器从而产生了软限位信号，当光电软限位没有达到保护效果时，通过刚性限位柱进行机械硬限位，从而保障操作者的安全；本发明还建立了基于虚拟阻尼和虚拟刚度的导纳模型，并设计了不同频率下的导纳调整策略；以变导纳控制器作为力控制外环，反步控制器作为位置控制内环，对设计的外骨骼装置进行控制；实现了对外骨骼装置的变导纳控制，有效减小人机交互力，提高了助力效果。

Description

一种外骨骼装置及外骨骼变导纳控制方法

技术领域

本发明属于外骨骼机器人领域，特别涉及一种外骨骼机器人的机械机构设计方法及变导纳控制技术。

背景技术

外骨骼作为一种将人的智慧与机械的力量结合起来的人机一体化装置，能够通过操作者的简单控制使机械提供的强大动力被人体运用，使操作者能够完成自身无法完成的任务。而下肢外骨骼作为一种辅助行走装置，它将外骨骼的机械结构和人的双腿耦合在一起，通过人体控制、外部供能的方式使自身行动不便或无法行走的操作者可以自主行走。并且可以设计不同的步态、步速来适应不同残疾状况的病人，提高治疗效果。外骨骼主要由以下几个部分组成：(1)机械结构部分。负重外骨骼由于其负重功能的要求，多采用髋+膝+踝结构，而康复外骨骼由于多用于病患，需减少关节的活动，因此多采用髋+膝的结构。机械结构多为质量轻，强度大，抗疲劳的材料，如铝合金、钛合金、纳米材料等；(2)动力系统。外骨骼的动力系统主要为外骨骼的助力提供动力来源，提供动力的方式可以是液压，电机，气动等；(3)传感器系统。外骨骼的传感器系统主要用来获取人机交互过程中各种信号，用以判断人体步态或运功意图；(4)控制系统。通常利用Matlab/Simulink等软件实现所提出的控制算法及相关方法后，在下载到相应的硬件控制器中；

导纳控制的基本原理是：导纳控制是pHRI(物理人机交互)中广泛采用的一种保证机器人柔性行为的方法。通过测量机器人与环境的交互力，通过虚拟模型动力学改变低层运动控制器的设定值，以实现一些首选的交互响应行为。

随着外骨骼机器人在工程领域中的应用日益扩大，传统的控制策略在不考虑操作者运动意图的情况下，将操作者的下肢引导到预定的轨迹上，降低了用户的主动性，而导纳控制将外骨骼和环境的交互力通过导纳模型，生成底层运动控制器的参考轨迹，可以实现更加柔顺的交互。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种外骨骼控制器及基于其的外骨骼装置。

本发明采用的技术方案为：一种外骨骼控制器，包括：用于内环位置控制的反步控制器、用于外环力控制的导纳控制器；

所述反步控制器的构建过程为：

A1、获取外骨骼的状态空间模型；

A2、根据步骤A1的状态空间设计反步控制器；

所述导纳控制器的构建过程为：

B1、建立基于关节坐标系的导纳模型；

B2、基于实时步进频率的可变导纳调整策略调整导纳模型，得到导纳控制器。

步骤B2所述基于实时步进频率的可变导纳调整策略的计算过程为：

C1、计算基于步进频率的稳定性评价指标；

C2、计算基于步进频率的人机交互评价指标；

C3、根据步骤C1的基于步进频率的稳定性评价指标与步骤C2的基于步进频率的人机交互评价指标，计算基于步进频率的穿戴舒适度指标；

C4、采用不同尺度因子固定导纳控制器在不同步频下进行测试实验；

C5、统计测试实验结果获取不同步频下的最优穿戴舒适度指标所对应的尺度因子；

C6、采用数据拟合的方式获取步频与最优尺度因子的映射关系，得到基于实时步进频率的可变导纳调整策略。

本发明采用的技术方案之二为：一种外骨骼装置，采用上述控制器进行电机驱动。

还包括多个机械连杆，其中至少一个机械连杆采用弯曲的刚性结构，在弯曲部位安装力传感器。

还包括在各关节处设置红外光电传感器与刚性限位柱，红外光电传感器用于检测各机械连杆的软限位信号；刚性限位柱用于对各机械连杆进行机械硬限位。

所述软限位信号的检测过程为：当外骨骼活动范围超出设定的安全区间时，刚性限位柱将会遮挡红外光电传感器从而产生了软限位信号。

所述软限位信号用于使能对应关节的电机。

本发明的有益效果：本发明设计了一种采用弯曲的刚性结构机械臂构成的外骨骼装置，并在关节处配备机械硬限位和光电软限位，当外骨骼系统的运动范围超出设定的安全区间时，启动相应的保护措施，从而保障操作者的安全；本发明还建立了基于虚拟阻尼和虚拟刚度的导纳模型，定义基于步进频率的稳定性评价指标，人机交互评价指标，穿戴舒适度评价指标；进行统计实验，获取不同频率下的最优评价指标，据此确定不同频率下的导纳调整策略；以变导纳控制器作为力控制外环，反步控制器作为位置控制内环，对设计的外骨骼装置进行控制；本发明优化了下肢外骨骼的机械结构，提高了安全性和穿戴舒适度，实现了对其的变导纳控制，有效减小人机交互力，提高了助力效果。

附图说明

图1为本发明的执行流程图；

图2为本发明实施例提供的2-DOF下肢外骨骼的机构示意图；

其中，图2(a)为2-DOF下肢外骨骼的机构，图2(b)为人体穿戴2-DOF下肢外骨骼的示意图；

图3为本发明实时例提供的2-DOF下肢外骨骼力位双环控制框架图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图1-3对本发明内容进一步阐释。

本发明具体包括以下三个部分：

1、设计弯曲的刚性结构机械臂，并配备机械硬限位和光电软限位；弯曲的刚性结构使得机械腿臂的中间部分与人体腿臂不完全贴合而使其中间存在一定的空隙，从而在空隙中仿真三维力传感器。

本实施例中以如图2所示的2-DOF下肢外骨骼装置为例进行说明：所述2-DOF下肢外骨骼装置，包括两个机械连杆，分别记为大腿臂连杆与小腿臂连杆，如图2中②所示，本实施例中大腿臂连杆与小腿臂连杆都采用弯曲的刚性结构，在弯曲的刚性结构与人体形成的弯曲空间中放置三维力传感器与其他人机连接零件，而外骨骼的髋关节与膝关节处于人体贴合在一起，从而保障人机的贴合度与紧密度。

同时还包括，对于光电软限位，如图2中①所示在髋关节和膝关节分别各设置两个红外光电传感器和一个刚性限位柱，当外骨骼活动范围超出设定的安全区间时，刚性限位柱将会遮挡光电传感器从而产生了软限位信号并使能关节电机，最终达到保护操作员安全的目的；对于机械硬限位，当光电软限位没有达到保护效果时，设计了机械挡件来进行机械硬限位；大腿臂和小腿臂还分别设置了一个柔性绷带，从而改善操作员的舒适度与人机之间的提合度。

本领域的技术人员应注意，本发明的技术方案不仅限于2自由度的下肢外骨骼，对于其他自由度的外骨骼(外骨骼包括上肢外骨骼、下肢外骨骼)也同样适用。

2、确定不同频率下的导纳调整策略；

包括：定义基于步进频率的稳定性评价指标，人机交互评价指标，穿戴舒适度评价指标；并进行统计实验，获取不同频率下的最优评价指标；具体的：

21、计算基于步频的稳定性评价指标，具体为：

其中，K表示采样数据长度，T表示控制间隔，ω表示频谱中的各个频率，ω₀表示对应快速傅里叶变换的最低频率，ω_s/2由奈奎斯特采样定理可得，P_τ,1(ω)，P_τ,2(ω)为人机交互力矩信号的傅里叶变换对应的幅频响应，τ表示人机交互力矩，P_1,0,P_2,0是处理采样噪声和其他无关高频信号的两个基本联合阈值。

22、计算基于步进频率的人机交互评价指标，具体为：

其中，τ_dis,1,i,τ_dis,2,i表示第i代的髋关节与膝关节力矩的采样信号。

23、定义基于步进频率的穿戴舒适度指标，具体为：

I[KT]＝K_Fre·I_ω[KT]+K_Tor·I_τ,dis[KT]，

其中，K_Fre,K_Tor分别表示稳定性评价指标I_ω[KT]和人机交互力评价指标I_τ,dis[KT]的增益。

24、采用虚拟阻抗与虚拟刚度成比例的调整的策略。具体为：

其中，M表示尺度因子，B_m,K_m分别表示虚拟阻尼矩阵，虚拟刚度矩阵，B_hip,0,B_knee,0,K_hip,0,K_knee,0表示基础导纳参数。通过调整M来调整整体导纳参数。

此外，采用不同尺度因子固定导纳控制器在不同步频下进行测试实验，通过统计各组测试实验结果获取不同步频下的最优舒适度指标所对应的尺度因子α，采用数据拟合的方式获取步频与最优尺度因子的映射关系，即为导纳调整策略。具体为：

M＝P₁*ω⁴+P₂*ω³+P₃*ω²+P₄*ω+P₅，

其中，ω表示测试到的实时步频，P₁,P₂,P₃,P₄,P₅表示拟合系数。

3、设计用于内环位置控制的反步控制器和外环力控制的导纳控制器：

首先，获取下肢外骨骼的状态空间模型；

其中，x₁，x₂分别表示髋关机与膝关节的角度

的状态变量，且

表示髋关节与膝关节的关节角加速度，τ_f表示关节摩擦项，M表示惯性矩阵，C表示科氏矩阵，G表示重力项，上标T为转置运算。

本实施例中

为

的微分形式，

为

的微分形式，同理，

为θ₁的微分，

为θ₂的微分，即膝关节角速度与角度的微分。

因此髋关节与膝关节的控制误差z₁，z₂可以被表示为z₁＝x₁-x_r，z₂＝x₂-α，x_r是由外环力控制的导纳控制器获得的参考轨迹，α表示虚拟控制变量，并定义如下：

然后，针对获取的状态空间模型设计反步控制器：

其中，

为α的导数，K₂∈R^2×2为正定矩阵，

为虚拟控制量，K₁∈R^2×2为正定矩阵，分别为重力矩阵、科里奥利矩阵、关节摩擦力矩阵；R^2×2表示2*2的实数矩阵。

根据操作者的实时步进频率对导纳模型中的导纳参数进行调整，为内环控制器提供参考轨迹。具体为：

首先建立基于关节坐标系的导纳模型，

其中，θ_c∈R²表示外骨骼的关节平衡位置，M_m,B_m,K_m∈R^2×2分别表示虚拟惯性矩阵，虚拟阻尼矩阵，虚拟刚度矩阵，θ∈R²表示外骨骼的关节位置，可通过计算获得以作为位置控制换的参考轨迹θ_r，τ_dis表示人机交互力矩。

将虚拟惯性矩阵M_m设置为0，外骨骼关节平衡位置θ_c用当前关节位置代替，在t+Δ时刻的导纳控制器如下，

其中，Δ表示外骨骼的控制间隔，θ(t)表示在t时刻的关节位置，

θ(t+Δ)∈R²分别表示参考轨迹在t+Δ时的速度和角度，θ_r(t+Δ)可基于t+Δ时的人机交互力矩τ_dis(t+Δ)和设计的导纳参数B_m，K_m获得。

针对现有的外骨骼装置和人体的贴合效果不理想，固定导纳控制器难以适应时变的运动状态，安全性和舒适度欠佳的弊端，本发明首先采用弯曲的刚性结构机械臂取代传统的直臂；然后设计了基于机械结构的硬限位和基于红外光电传感器的软限位；接着定义了基于频率的稳定性评价指标、人机交互指数和穿戴舒适度评价指标；提出一种基于实时步进频率的可变导纳控制策略；采用可变导纳控制器作为外骨骼的力控制外环，反步控制器作为外骨骼位置控制内环；最后通过操作人员的穿戴实验对所设计外骨骼和控制算法进行有效性验证。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种外骨骼控制器，其特征在于，包括：用于内环位置控制的反步控制器、用于外环力控制的导纳控制器；

所述反步控制器的构建过程为：

A1、获取外骨骼的状态空间模型；

A2、根据步骤A1的状态空间设计反步控制器；

所述导纳控制器的构建过程为：

B1、建立基于关节坐标系的导纳模型；

B2、基于实时步进频率的可变导纳调整策略调整导纳模型，得到导纳控制器。

2.根据权利要求1所述的一种外骨骼控制器，其特征在于，步骤B2所述基于实时步进频率的可变导纳调整策略的计算过程为：

C1、计算基于步进频率的稳定性评价指标；

C2、计算基于步进频率的人机交互评价指标；

C3、根据步骤C1的基于步进频率的稳定性评价指标与步骤C2的基于步进频率的人机交互评价指标，计算基于步进频率的穿戴舒适度指标；

C4、采用不同尺度因子固定导纳控制器在不同步频下进行测试实验；

C5、统计测试实验结果获取不同步频下的最优穿戴舒适度指标所对应的尺度因子；

C6、采用数据拟合的方式获取步频与最优尺度因子的映射关系，得到基于实时步进频率的可变导纳调整策略。

3.一种外骨骼装置，其特征在于，采用权利要求1或2所述的控制器进行电机驱动。

4.根据权利要求3所述的一种外骨骼装置，其特征在于，还包括多个机械连杆，其中至少一个机械连杆采用弯曲的刚性结构，在弯曲的刚性结构靠近人体一侧安装力传感器。

5.根据权利要求4所述的一种外骨骼装置，其特征在于，还包括在各关节处设置红外光电传感器与刚性限位柱，红外光电传感器用于检测各机械连杆的软限位信号；刚性限位柱用于对各机械连杆进行机械硬限位。

6.根据权利要求5所述的一种外骨骼装置，其特征在于，所述软限位信号的检测过程为：当外骨骼活动范围超出设定的安全区间时，刚性限位柱将会遮挡红外光电传感器从而产生了软限位信号。

7.根据权利要求6所述的一种外骨骼装置，其特征在于，所述软限位信号用于使能对应关节的电机。

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