CN112192570B - 一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制系统及方法，系统包括：关节角度编码器、步态相位感知器、关节角位置控制器以及关节力矩控制器，关节角度编码器测量关节角位置，输出信号传送到步态相位感知器、关节角度控制器以及关节力矩控制器；步态相位感知器依据关节角度信号进行步态相位判断，将步态相位划分为支撑相和摆动相；当步态相位感知器判断当前处于支撑相时，采用关节角位置控制模式；当步态相位感知器判断当前处于摆动相时，采用关节力矩控制模式。本发明不仅简化了传感器配置，提高感知系统可靠性、快速性而且不影响其他装具的可穿戴性，而且实现了主动助力，且能够提高人机之间跟随性能。

Description

一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制系统及方法

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，更具体的说是涉及一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制系统及方法。

背景技术

基于多关节驱动的全身刚性外骨骼系统由于其自重大、灵活性差以及电源能耗大等方面的问题，严重制约装备实用化进程。下肢部分关节(髋、膝、踝)助力的外骨骼系统，由于轻质、灵活性并且有效减少对人体束缚的优点使其在轻装机动作业中更具显著的实用价值。美国洛克希德马丁公司开发ONYX外骨骼系统，其采用膝关节驱动助力方案，系统自重6.4Kg，使用2.7Kg锂电池模块供电，据美国国防部称，ONYX外骨骼可以让携带20公斤重背包的士兵在坡度达到15度的斜坡上连续行军数小时，士兵只会感受到些许疲劳。美国哈佛大学研制出Soft Exosuit柔性外骨骼系统，主体由纺织物组成，动力机构采用电机驱动加绳传动方案实现人体下肢髋关节和膝关节柔性驱动助力，具有较高的灵活性，不妨碍穿戴者四肢行动，经测试实验，最大可降低测试人员23％的代谢率，通过采用人工智能算法实现走与跑的步态的100％准确分类，可同时实现走路和跑步的机器助力。

在感知与控制技术方面，现有外骨骼系统通常采用基于IMU姿态传感器的惯性感知与控制方案，基于足底压力感知的步态识别与控制方案以及基于表面肌电信号(sEMG)的生物感知与控制方案。其中基于IMU传感器的惯性感知方案具有方便穿戴的优点，但是抗振动冲击性能差，受限于算法解算时间而导致动态精度低，不能应用于快速运动场合；基于足底压力感知的步态识别与控制方案具有步态感知与识别实时性高，步态辨识算法简单的优点，但是需要为外骨骼系统额外配备一双传感鞋，使用穿脱不方便并且适配性差；基于表面肌电信号(sEMG)的生物感知与控制方案具备人体动作意图感知更加及时的优点，但是表面肌电信号微弱，易受干扰而导致测量可靠性较差，不同个体之间测量差异性大，这些因素都限制了该方案在户外负载机动运动场合的使用。

针对上述三种方案各自的特点和不足，研究人员提出了采用多种传感器测量数据融合的感知与控制方案，然而这又带来如下问题：⑴.多种传感测量设备使得整个外骨骼系统可穿戴性变差，一方面增加外骨骼系统穿戴复杂性和时间，另一方面会产生与身上其他作业装具之间的干涉；⑵.多传感器数据融合算法增加感知决策数据处理的时间，导致外骨骼系统响应滞后，外骨骼与穿戴者之间动作不匹配影响助力效果。

因此，如何提供一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制系统及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制系统及方法，不仅简化了传感器配置，提高感知系统可靠性、快速性而且不影响其他装具的可穿戴性，而且实现了主动助力，且能够提高人机之间跟随性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制系统，包括：关节角度编码器、步态相位感知器、关节角位置控制器以及关节力矩控制器，其中，

所述关节角度编码器测量关节角位置，其输出信号分别传送到步态相位感知器、关节角度控制器以及关节力矩控制器；步态相位感知器依据关节角度信号进行步态相位判断，将步态相位划分为支撑相和摆动相；当步态相位感知器判断当前处于支撑相时，采用关节角位置控制模式，关节角度控制器依据关节编码器信号作为反馈并按照既定角位置曲线进行伺服控制，外骨骼系统产生主动助力支撑；当步态相位感知器判断当前处于摆动相时，采用关节力矩控制模式，关节力矩控制器依据关节编码器信号以及关节重力矩和摩擦力矩模型进行零力补偿控制，实现外骨骼关节对穿戴者关节的柔性跟随。

优选的，还包括足底压力传感器，所述足底压力传感器测量足底压力信息，其输出信号传送到步态相位感知器，对基于关节角度编码器的步态相位感知判定进行标定和对准。

一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制方法，包括如下步骤：

S1：步态相位感知器接收关节角度编码器数据，步态相位感知器依据关节角度幅值判定步态相位，将步态相位划分为支撑相和摆动相；

S2：当步态相位感知器判定为处于支撑相时，采用关节角位置控制模式，关节角度控制器依据关节编码器信号作为反馈并按照既定角位置曲线进行伺服控制，外骨骼系统产生主动助力支撑；

S3：当步态相位控制器判定为处于摆动相时，采用关节力矩控制模式，关节力矩控制器依据关节编码器信号以及关节重力矩和摩擦力矩模型进行零力补偿控制，实现外骨骼关节对穿戴者关节的柔性跟随。

优选的，步骤S1中，步态相位感知器还接收足底压力传感器数据，采用足底压力数据标定进入支撑相关节角度阈值以及进入摆动相关节角度阈值，对基于关节角度编码器的步态相位感知判定进行标定和对准。

优选的，足底压力传感器只在初始阈值标定和调整时使用，在正常行走过程中卸除足底压力传感器。

优选的，步骤S2，当步态相位感知器判定为处于支撑相时，采用关节角位置控制模式，具体方法为：

以事先录取并存储于位置伺服控制器中的参考助力关节角度波形作为位置伺服控制器的参考给定，以关节角度编码器输出的关节角度数据作为反馈，位置伺服控制器基于参考给定和反馈数据之间的偏差产生控制信号，控制信号进而传递给驱动与传动机构，驱动穿戴者关节运动并产生助力支撑，位置伺服控制器采用的关节角位置控制算法为：

U_θ＝K_pθΔθ+K_iθ∑Δθ+K_dθ(Δθ-Δθ^p)

式中

为当前关节角度偏差，

为参考助力关节角度，∑Δθ为历史累计关节角度偏差，Δθ^p为前一时刻关节角度偏差，K_pθ为关节角度控制器比例控制增益，K_iθ为关节角度控制器积分控制增益，K_dθ为关节角度控制器微分控制增益。

优选的，当步态相位控制器判定为处于摆动相时，采用关节力矩控制模式，具体方法为：

通过关节角度编码器获得关节角度信号θ以及关节角速度信号

获得关节期望力矩T_s，力矩生成器的表达式为：

其中G(θ)为关节重力矩，

为驱动传动机构等效摩擦力矩，D为摩擦力矩系数；关节期望力矩T_s由力矩电机提供，采用基于电机电流环路伺服控制的力矩控制方法，电流环控制回路参考给定为：

其中K_T为电机转矩系数，电流传感器获得力矩电机电流I，其与电流环控制回路参考给定

之间的偏差通过电流环控制器产生控制信号，控制算法表达式为：

U₁＝K_pIΔI+K_iI∑ΔI+K_dI(ΔI-ΔI^p)

式中ΔI＝I-I为当前时刻电流偏差值，∑ΔI为历史累计电流偏差值，ΔI^p为前一时刻电流偏差值，K_pI为电流控制器比例控制增益，K_iI为电流控制器积分控制增益，K_dI为电流控制器微分控制增益。

本发明的有益效果在于：

针对现有外骨骼系统基于IMU、足底压力、表面肌电信号以及多传感器融合的感知控制方案的诸多局限性，本发明提出一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制系统及方法，摆动相步态和支撑相步态分别独立控制，与现有技术相比具有如下优势：一是采用关节驱动编码器感知步态相位以及足底压力校正的方案，简化了传感器配置，提高感知系统可靠性、快速性而且不影响其他装具的可穿戴性；二是采用支撑相关节角位置控制模式，以提供主动助力支撑，摆动相力矩伺服控制模式，以提高人机之间柔顺性，这种不同步态相位下独立控制模式与传统全步态周期控制方法相比不仅能实现主动助力而且能够提高人机之间跟随性能，进而提高穿戴舒适性。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明系统的原理图；

图2附图为本发明步态相位感知与标定方法图；

图3附图为本发明关节角位置控制模式的原理图；

图4附图为本发明关节力矩控制模式的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图1，本发明提供了一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制系统，包括：关节角度编码器、步态相位感知器、关节角位置控制器以及关节力矩控制器，其中，

关节角度编码器测量关节角位置，其输出信号分别传送到步态相位感知器、关节角度控制器以及关节力矩控制器；步态相位感知器依据关节角度信号进行步态相位判断，将步态相位划分为支撑相和摆动相；当步态相位感知器判断当前处于支撑相时，采用关节角位置控制模式，关节角度控制器依据关节编码器信号作为反馈并按照既定角位置曲线进行伺服控制，外骨骼系统产生主动助力支撑；当步态相位感知器判断当前处于摆动相时，采用关节力矩控制模式，关节力矩控制器依据关节编码器信号以及关节重力矩和摩擦力矩模型进行零力补偿控制，实现外骨骼关节对穿戴者关节的柔性跟随。

本发明还包括足底压力传感器，足底压力传感器测量足底压力信息，其输出信号传送到步态相位感知器，对基于关节角度编码器的步态相位感知判定进行标定和对准。

本发明还提供了一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制方法，包括如下步骤：

S1：步态相位感知器接收关节角度编码器数据和足底压力传感器数据，步态相位感知器依据关节角度幅值判定步态相位，将步态相位划分为支撑相和摆动相；采用足底压力数据标定进入支撑相关节角度阈值以及进入摆动相关节角度阈值，如图2所示。足底压力传感器只在初始阈值标定和调整时使用，在正常行走过程中卸除足底压力传感器。

S2：当步态相位感知器判定为处于支撑相时，采用关节角位置控制模式，关节角度控制器依据关节编码器信号作为反馈并按照既定角位置曲线进行伺服控制，外骨骼系统产生主动助力支撑，如图3所示，具体方法为：

以事先录取并存储于位置伺服控制器中的参考助力关节角度波形作为位置伺服控制器的参考给定，以关节角度编码器输出的关节角度数据作为反馈，位置伺服控制器基于参考给定和反馈数据之间的偏差产生控制信号，控制信号进而传递给驱动与传动机构，驱动穿戴者关节运动并产生助力支撑，位置伺服控制器采用的关节角位置控制算法为：

U_θ＝K_pθΔθ+K_iθ∑Δθ+K_dθ(Δθ-Δθ^p)

式中

为当前关节角度偏差，

为参考助力关节角度，∑Δθ为历史累计关节角度偏差，Δθ^p为前一时刻关节角度偏差，K_pθ为关节角度控制器比例控制增益，K_iθ为关节角度控制器积分控制增益，K_dθ为关节角度控制器微分控制增益。

S3：当步态相位控制器判定为处于摆动相时，采用关节力矩控制模式，关节力矩控制器依据关节编码器信号以及关节重力矩和摩擦力矩模型进行零力补偿控制，实现外骨骼关节对穿戴者关节的柔性跟随，如图4所示，具体方法为：

通过关节角度编码器获得关节角度信号θ以及关节角速度信号

获得关节期望力矩T_s，力矩生成器的表达式为：

其中G(θ)为关节重力矩，

为驱动传动机构等效摩擦力矩，D为摩擦力矩系数；关节期望力矩T_s由力矩电机提供，采用基于电机电流环路伺服控制的力矩控制方法，电流环控制回路参考给定为：

其中K_T为电机转矩系数，电流传感器获得力矩电机电流I，其与电流环控制回路参考给定

之间的偏差通过电流环控制器产生控制信号，控制算法表达式为：

U₁＝K_pIΔI+K_iI∑ΔI+K_dI(ΔI-ΔI^p)

式中

为当前时刻电流偏差值，∑ΔI为历史累计电流偏差值，ΔI^p为前一时刻电流偏差值，K_pI为电流控制器比例控制增益，K_iI为电流控制器积分控制增益，K_dI为电流控制器微分控制增益。

针对现有外骨骼系统基于IMU、足底压力、表面肌电信号以及多传感器融合的感知控制方案的诸多局限性，本发明提出一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制系统及方法，摆动相步态和支撑相步态分别独立控制，与现有技术相比具有如下优势：一是采用关节驱动编码器感知步态相位以及足底压力校正的方案，简化了传感器配置，提高感知系统可靠性、快速性而且不影响其他装具的可穿戴性；二是采用支撑相关节角位置控制模式，以提供主动助力支撑，摆动相力矩伺服控制模式，以提高人机之间柔顺性，这种不同步态相位下独立控制模式与传统全步态周期控制方法相比不仅能实现主动助力而且能够提高人机之间跟随性能，进而提高穿戴舒适性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制系统，其特征在于，包括：关节角度编码器、步态相位感知器、关节角位置控制器以及关节力矩控制器，其中，

所述关节角度编码器测量关节角位置，其输出信号分别传送到步态相位感知器、关节角度控制器以及关节力矩控制器；步态相位感知器依据关节角度信号进行步态相位判断，将步态相位划分为支撑相和摆动相；当步态相位感知器判断当前处于支撑相时，采用关节角位置控制模式，关节角度控制器依据关节编码器信号作为反馈并按照既定角位置曲线进行伺服控制，外骨骼系统产生主动助力支撑；具体方法为：

以事先录取并存储于位置伺服控制器中的参考助力关节角度波形作为位置伺服控制器的参考给定，以关节角度编码器输出的关节角度数据作为反馈，位置伺服控制器基于参考给定和反馈数据之间的偏差产生控制信号，控制信号进而传递给驱动与传动机构，驱动穿戴者关节运动并产生助力支撑，位置伺服控制器采用的关节角位置控制算法为：

U_θ＝K_pθΔθ+K_iθ∑Δθ+K_dθ(Δθ-Δθ^p)

式中

为当前关节角度偏差，

为参考助力关节角度，∑Δθ为历史累计关节角度偏差，Δθ^p为前一时刻关节角度偏差，K_pθ为关节角度控制器比例控制增益，K_iθ为关节角度控制器积分控制增益，K_dθ为关节角度控制器微分控制增益；

当步态相位感知器判断当前处于摆动相时，采用关节力矩控制模式，关节力矩控制器依据关节编码器信号以及关节重力矩和摩擦力矩模型进行零力补偿控制，实现外骨骼关节对穿戴者关节的柔性跟随；具体方法为：

通过关节角度编码器获得关节角度信号θ以及关节角速度信号

获得关节期望力矩T_s，力矩生成器的表达式为：

其中G(θ)为关节重力矩，

为驱动传动机构等效摩擦力矩，D为摩擦力矩系数；关节期望力矩T_s由力矩电机提供，采用基于电机电流环路伺服控制的力矩控制方法，电流环控制回路参考给定为：

其中K_T为电机转矩系数，电流传感器获得力矩电机电流I，其与电流环控制回路参考给定

之间的偏差通过电流环控制器产生控制信号，控制算法表达式为：U₁＝K_pIΔI+K_iI∑ΔI+K_dI(ΔI-ΔI^p)

式中

为当前时刻电流偏差值，vΔI为历史累计电流偏差值，ΔI^p为前一时刻电流偏差值，K_pI为电流控制器比例控制增益，K_iI为电流控制器积分控制增益，K_dI为电流控制器微分控制增益。

2.根据权利要求1所述的一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制系统，其特征在于，还包括足底压力传感器，所述足底压力传感器测量足底压力信息，其输出信号传送到步态相位感知器，对基于关节角度编码器的步态相位感知判定进行标定和对准。

3.一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制方法，其适用于如权利要求1-2任一项所述的一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1：步态相位感知器接收关节角度编码器数据，步态相位感知器依据关节角度幅值判定步态相位，将步态相位划分为支撑相和摆动相；

S2：当步态相位感知器判定为处于支撑相时，采用关节角位置控制模式，关节角度控制器依据关节编码器信号作为反馈并按照既定角位置曲线进行伺服控制，外骨骼系统产生主动助力支撑；

S3：当步态相位控制器判定为处于摆动相时，采用关节力矩控制模式，关节力矩控制器依据关节编码器信号以及关节重力矩和摩擦力矩模型进行零力补偿控制，实现外骨骼关节对穿戴者关节的柔性跟随。

4.根据权利要求3所述的一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制方法，其特征在于，步骤S1中，步态相位感知器还接收足底压力传感器数据，采用足底压力数据标定进入支撑相关节角度阈值以及进入摆动相关节角度阈值，对基于关节角度编码器的步态相位感知判定进行标定和对准。

5.根据权利要求4所述的一种下肢关节助力外骨骼系统感知与控制方法，其特征在于，足底压力传感器只在初始阈值标定和调整时使用，在正常行走过程中卸除足底压力传感器。

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