CN112223263A - 一种柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法 - Google Patents

一种柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，包括柔性外骨骼系统，柔性外骨骼系统实时获取人体姿态信息和人‑地交互力信息；根据人体运动模式，柔性外骨骼系统包括完全助力控制、弱助力控制、力反馈控制和不助力控制；根据人体姿态信息、人—地交互力信息选择柔性外骨骼系统的控制方式；本发明不依赖人机模型，鲁棒性好，根据实时测量数据进行协同控制，简单方便，工程实用性强。

Description

一种柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法
技术领域
本发明涉及柔性外骨骼系统技术领域，尤其涉及一种柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法。
背景技术
外骨骼系统是一种典型的人机智能系统，该系统将机器承担负载的能力和人体自由导向的优点结合起来，因此要求人机间具有良好的协同性，以实现在高效助力的同时保证人体穿戴的舒适性。
外骨骼系统其最大的特点是在工作过程中，人在控制回路里，将人的智能和机器的负载能力相结合，实现对人体能力的增强，因此其控制器的设计必须考虑人的因素。人体协同实时控制技术是外骨骼系统的关键技术之一，特点是使外骨骼系统与穿戴者的运动一致，人机协同一体，实现柔顺助力。
传统外骨骼系统的控制器设计基于人机力学模型，控制器采用灵敏度放大控制、力-位跟踪控制、阻尼控制等方法使外骨骼系统跟随人体运动，达到人机交互力最小的目的。传统外骨骼系统的控制器只考虑人体运动步态的支撑相和摆动相两种状态，但是，人体运动受人的运动习惯、身体状态、外部环境等因素影响，因此，外骨骼系统受人的穿戴状态影响，外骨骼系统的人机模型存在许多不确定性。将人体步态分为支撑态和摆动态两种情况过于简单，不能满足外骨骼系统的灵活性和柔顺助力的要求，基于人机力学模型设计控制器的方式，不能适应外骨骼系统的不确定性，因此在实际外骨骼系统中并没有获得广泛应用。
总的来说，传统的基于人机数学模型的设计方法鲁棒性不够，不能适应外骨骼人机系统的模型不确定性，工程应用前景有限。
发明内容
基于上述问题，本发明的目的在于提供一种柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，主要解决传统外骨骼系统的控制器只考虑人体运动步态的支撑相和摆动相两种状态，不能满足外骨骼系统的灵活性和柔顺助力要求的技术问题。
为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
本发明一种柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，柔性外骨骼系统实时获取人体姿态信息和人-地交互力信息；
S2，根据人体运动模式，所述柔性外骨骼系统的控制方式包括完全助力控制、弱助力控制、力反馈控制和不助力控制；
S3，根据获取的所述人体姿态信息、人—地交互力信息选择所述柔性外骨骼系统的控制方式。
进一步的，将用于获取所述人体姿态信号的IMU惯性测量器件安装于所述柔性外骨骼系统的背部、大腿、小腿和足部，将用于获取所述人-地交互力信号的压力传感器安装于所述柔性外骨骼系统的足部。
进一步的，所述人体运动模式包括站立、过渡过程、平地行走、上下楼梯、上下坡、起立、跑、跳和下蹲；
对于平地行走、上下楼梯和上下坡，采用所述完全助力控制；
对于跑和跳，采用所述弱助力控制；
对于下蹲和起立，采用所述力反馈控制；
对于站立和过渡过程，采用所述不助力控制。
进一步的，在所述完全助力控制的模式下，将所述柔性外骨骼系统分为四种步态相位分别进行控制，所述四种步态相位包括前摆动态、后摆动态、前支撑态和后支撑态。
进一步的，所述前摆动态从腿摆动态开始到摆动态膝关节角度最大时结束；
所述前摆动态采用PID控制，输入固定控制指令，实现所述柔性外骨骼系统卸荷，消除对人体运动的阻碍作用。
进一步的，所述后摆动态从摆动态膝关节角度最大时开始到摆动态停止结束；
所述后摆动态根据膝关节角度计算控制系统的输入指令，采用PID控制，实现对膝关节角度的位置跟踪。
进一步的，所述前支撑态从腿支撑态开始到腿支撑态足跟离地时结束；
将用于测量位置信息的角位移传感器安装于所述柔性外骨骼系统的驱动系统内；
所述前支撑态采用力-位混合控制方法，利用所述角位移传感器对所述柔性外骨骼系统的位置输出条件进行判断，选择位置反馈控制或者所述力反馈控制，以保证所述柔性外骨骼系统位置输出和力矩输出的响应速度。
进一步的，所述后支撑态从腿支撑态足跟离地时开始到支撑态结束；
所述后支撑态采用PID控制，实现所述柔性外骨骼系统的提前卸荷。
进一步的，所述弱助力控制的模式与所述完全助力控制的模式相同，指令不同。
进一步的，所述弱助力控制的助力指令位置为所述完全助力控制的助力指令位置的一半。
进一步的，所述力反馈控制利用安装在所述柔性外骨骼系统小腿上的拉力传感器测量的力输出作为反馈，采用PID控制作为跟踪控制。
进一步的，所述不助力控制采用PID跟踪，实现所述柔性外骨骼系统的卸荷，保持所述柔性外骨骼系统状态不变。
与现有技术相比，本发明提供的有益效果：
本发明提供一种简单实用、适用于柔性外骨骼系统实际工程的人机协同实时控制方法，IMU惯性测量器件获得人体运动的姿态角度信息；力传感器获取人机交互力信息；根据人体运动模式，柔性外骨骼系统的控制方式包括完全助力控制、弱助力控制、力反馈控制和不助力控制；根据人体姿态信息、人—地交互力信息选择柔性外骨骼系统的控制方式；本发明不依赖人机模型，鲁棒性好，根据实时测量数据进行协同控制，简单方便，工程实用性强。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中柔性外骨骼系统中的传感器件安装示意图；
图2为本发明实施例中人体步态相位图；
图3为本发明实施例中完全助力控制流程图。
附图标记：
1、背部；2、大腿；3、小腿；4、足部；5、鲍登线；6、背架；7、绑带；8、驱动系统。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例中公开了一种柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，该方法包括以下步骤：
S1，柔性外骨骼系统实时获取人体姿态信息和人-地交互力信息；
S2，根据人体运动模式，所述柔性外骨骼系统的控制方式包括完全助力控制、弱助力控制、力反馈控制和不助力控制；
S3，根据步骤S1中获取的人体姿态信息、人—地交互力信息选择步骤S2中柔性外骨骼系统的控制方式。
如图1所示，柔性外骨骼系统的驱动系统8安装在背部背架6上，通过鲍登线5与柔性外骨骼系统的小腿3连接，鲍登线5的一部分穿在鲍登线套管内，鲍登线套管的一端固定在驱动系统8上，另一端固定在大腿2上，驱动系统8通过对鲍登线5的收与放实现对膝关节的助力与卸荷，实现对人体的柔顺协同助力控制。
将拉力传感器安装于柔性外骨骼系统的小腿3上，用于测量驱动系统8的力矩输出反馈。将角位移传感器安装在驱动系统8内部，用于测量柔性外骨骼系统位置输出反馈；将IMU惯性测量器件安装于柔性外骨骼系统的背部1、大腿2、小腿3和足部4，以获取人体姿态信息，将压力传感器安装于所述柔性外骨骼系统的足部4，以获取人-地交互力信息。
对于上述IMU惯性测量器件的安装方式，具体的，IMU惯性测量器件的某一轴方向与人体的矢状轴相同，实施例中均为X方向，IMU的角度测量范围为0～360°。上述关节角度，具体来说，在站立状态下，髋关节角度定义为90°，膝关节角度定义为0°，踝关节角度定义为90°；大腿前摆髋关节角度增大，后摆髋关节角度减小，屈膝时膝关节角度增大，伸直时膝关节角度减小，足尖上翘，踝关节角度减小，足尖下压，踝关节角度增大。
人体运动模式包括站立、过渡过程、平地行走、上下楼梯、上下坡、起立、跑、跳和下蹲。其中，过渡过程为步态不同状态间的过渡状态，比如从站立到平地行走，初始抬腿的短时状态，当抬腿完成到开始着地，即过渡态完成进行平地行走状态。对于平地行走、上下楼梯和上下坡，采用完全助力控制；对于跑和跳，采用弱助力控制；对于下蹲和起立，采用力反馈控制；对于站立和过渡过程，采用不助力控制。
其中，在完全助力控制的模式下，将所述柔性外骨骼系统分为四种步态相位分别进行控制，四种步态相位包括前摆动态、后摆动态、前支撑态和后支撑态。如图2所示为人体步态相位图，图2中虚线腿表示摆动腿运动过程，实线腿表示支撑腿运动过程，角度θ表示膝关节角度测量值的补角。(1)为支撑腿开始着地，前支撑态开始；摆动腿开始离地，前摆动态开始。(2)为摆动腿膝关节角度达到测量值最大，前摆动态转移为后摆动态。(3)为支撑腿脚跟开始离地，摆动腿开始着地，后摆动态结束，后支撑态开始。(4)为支撑腿开始离地，后支撑态结束。
具体来说，前摆动态从腿摆动态开始到摆动态膝关节角度最大时结束。前摆动态控制目的是对柔性外骨骼系统快速卸荷，消除对人体运动的阻碍作用，前摆动态采用PID控制，输入固定指令，快速放松拉线，保持拉线的放松状态。根据关节弯曲到最大时对应驱动系统需要位置输出作为位置指令，使外骨骼系统放线到指定位置，保证鲍登线5在行走摆动过程中的松弛状态，消除对人体的阻力。
后摆动态从摆动态膝关节角度最大时开始到腿摆动态结束。后摆动态控制目的是提前收缩鲍登线5，保持鲍登线5的预紧状态，消除驱动系统8需要收缩鲍登线到预紧之后才能输出力矩对外骨骼助力响应的延时影响。膝关节的角度与驱动系统收放鲍登线的位置呈线性关系，根据膝关节角度可以计算出驱动系统电机应该运动到的角位移位置，作为驱动系统的控制输入指令，采用PID控制计算驱动系统的控制指令，驱动系统8快速运动到指定角位移位置，从而实现对膝关节角度的位置跟踪。
前支撑态从腿支撑态开始到腿支撑态足跟离地时结束。前支撑态采用力-位混合控制方法，通过对柔性外骨骼系统的位置残差条件进行判断，成立则采用位置反馈控制，不成立则采用力反馈控制，保证柔性外骨骼系统位移和力矩的快速输出。具体来说，前支撑态采用力-位混合控制方法，记膝关节伸直状态下，鲍登线刚好预紧时驱动系统的位置输出为θT，将θT作为力-位混合控制的切换阈值条件，当驱动系统的位置输出θ小于θT时，利用位置残差进行反馈控制，大于θT时，采用力残差反馈输出，两种控制方式均采用PID控制方法，残差选择的数学表达式如下：
Figure BDA0002715144370000061
通过力-位混合控制的切换阈值条件判断，进行力位控制的切换，保证外骨骼系统位移和力矩的快速输出。
后支撑态从腿支撑态足跟离地时开始到支撑态结束；后支撑态的控制目的是使柔性外骨骼系统提前卸荷，保证减小摆动态的阻力。后支撑态采用PID控制，使柔性外骨骼系统放线到指定位置，实现外骨骼的卸荷。后支撑态采用位置控制，其过程是，记当前时刻的膝关节角度为θ膝(t)，下一时刻膝关节角度的估计值为
Figure BDA0002715144370000062
利用膝关节下一时刻的估计值计算出驱动系统下一时刻的位置输出估计值，作为驱动系统的控制输入，驱动外骨骼系统运动到指定位置，实现外骨骼的卸荷。
其中，弱助力控制的模式与完全助力控制的模式相同，指令不同。弱助力控制实现对膝关节的欠助力，主要目的是增加灵活度，减少对人体的阻碍。弱助力控制的助力指令位置可以是完全助力控制的助力指令位置的一半。
其中，力反馈控制利用拉力传感器测量力矩输出作为反馈，采用PID控制作为跟踪控制。在下蹲过程中，双腿处于支撑态，膝关节角度变大，根据膝关节角度估计膝关节力矩，利用安装在柔性外骨骼系统小腿上的拉力传感器测量力矩输出作为反馈，采用PID控制作力反馈跟踪控制。
其中，不助力控制采用PID跟踪，实现所述柔性外骨骼系统的快速卸荷，保持所述柔性外骨骼系统状态不变。在站立过程中，双腿直立，不需要助力，过渡模式为过渡状态，为增加灵活性，同样设为不助力模式。控制过程为设定指令，采用PID跟踪，实现快速放线卸荷，保持状态不变。
本发明的原理和工作过程是：人体在运动过程中，膝关节的屈膝和伸直过程中，需要人体肌肉做大量的功，尤其是在坡地行走和上下楼梯等复杂地形中行走，膝关节力矩做功占人体关节做功的主要部分。柔性外骨骼的助力机理是帮助人行走过程中膝关节伸直，实现关节助力，骨骼传力，减小人体肌肉做功，为人体提供助力。
根据人体的运动模式，选择不同的控制方式，控制方式设计的主要逻辑是通过对人体运动模式的识别和人体步态相位的识别对外骨骼进行控制，使在平地行走、上下楼梯和上下坡过程中，实现对腿支撑的快速助力和腿摆动的快速卸荷，以减小人体膝关节做功。在跑、跳等模式下，人体运动幅度大，支撑态时间短，采用完全助力模式控制不能实现对人体运动的快速响应，会对人体运动造成阻碍，因此采用不完全助力控制，在保证人体运动灵活性的前提条件下，实现对人体的弱助力。在下蹲过程中，人体运动相对缓慢，采用力反馈控制保证在下蹲过程中始终有助力。在站立和过渡过程中，采用无助力模式控制，实现人体关节的柔顺灵活。根据人体的不同运动模式采用不同的控制策略，实现人机一体，协同控制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，柔性外骨骼系统实时获取人体姿态信息和人-地交互力信息；
S2，根据人体运动模式，所述柔性外骨骼系统的控制方式包括完全助力控制、弱助力控制、力反馈控制和不助力控制；
S3，根据获取的所述人体姿态信息、人—地交互力信息选择所述柔性外骨骼系统的控制方式。
2.根据权利要求1所述的柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，其特征在于，将用于获取所述人体姿态信号的IMU惯性测量器件安装于所述柔性外骨骼系统的背部、大腿、小腿和足部，将用于获取所述人-地交互力信号的压力传感器安装于所述柔性外骨骼系统的足部。
3.根据权利要求1所述的柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，其特征在于，所述人体运动模式包括站立、过渡过程、平地行走、上下楼梯、上下坡、起立、跑、跳和下蹲；
对于平地行走、上下楼梯和上下坡，采用所述完全助力控制；
对于跑和跳，采用所述弱助力控制；
对于下蹲和起立，采用所述力反馈控制；
对于站立和过渡过程，采用所述不助力控制。
4.根据权利要求3所述的柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，其特征在于，在所述完全助力控制的模式下，将所述柔性外骨骼系统分为四种步态相位分别进行控制，所述四种步态相位包括前摆动态、后摆动态、前支撑态和后支撑态。
5.根据权利要求4所述的柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，其特征在于，所述前摆动态从腿摆动态开始到摆动态膝关节角度最大时结束；
所述前摆动态采用PID控制，输入固定控制指令，实现所述柔性外骨骼系统卸荷，消除对人体运动的阻碍作用。
6.根据权利要求5所述的柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，其特征在于，所述后摆动态从摆动态膝关节角度最大时开始到摆动态停止结束；
所述后摆动态根据膝关节角度计算控制系统的输入指令，采用PID控制，实现对膝关节角度的位置跟踪。
7.根据权利要求6所述的柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，其特征在于，所述前支撑态从腿支撑态开始到腿支撑态足跟离地时结束；
将用于测量位置信息的角位移传感器安装于所述柔性外骨骼系统的驱动系统内；
所述前支撑态采用力-位混合控制方法，利用所述角位移传感器对所述柔性外骨骼系统的位置输出条件进行判断，选择位置反馈控制或者所述力反馈控制，以保证所述柔性外骨骼系统位置输出和力矩输出的响应速度。
8.根据权利要求7所述的柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，其特征在于，所述后支撑态从腿支撑态足跟离地时开始到支撑态结束；
所述后支撑态采用PID控制，实现所述柔性外骨骼系统的提前卸荷。
9.根据权利要求8所述的柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，其特征在于，所述弱助力控制的模式与所述完全助力控制的模式相同，指令不同。
10.根据权利要求9所述的柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，其特征在于，所述弱助力控制的助力指令位置为所述完全助力控制的助力指令位置的一半。
11.根据权利要求3所述的柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，其特征在于，所述力反馈控制利用安装在所述柔性外骨骼系统小腿上的拉力传感器测量的力输出作为反馈，采用PID控制作为跟踪控制。
12.根据权利要求3所述的柔性外骨骼系统的人机协同实时控制方法，其特征在于，所述不助力控制采用PID跟踪，实现所述柔性外骨骼系统的卸荷，保持所述柔性外骨骼系统状态不变。
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