CN113367930B - 一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及外骨骼机器人控制领域，具体是一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统及其控制方法，包括用于反馈信息及系统规划信息的主控制器，还包括：左腿传感器检测模块和右腿传感器检测模块、左腿电机驱动模块/右腿电机驱动模块、左腿关节驱动模块和右腿关节驱动模块；其具体步骤如下：步骤一：引用临床步态分析CGA标准步态数据库人体关节步态数据；步骤二：将步态周期分为四个阶段；步骤三，判定所处步态周期阶段，通过对髋关节与膝关节液压系统的耦合设计，减小外骨骼驱动系统功率输出，同时弹簧与盘簧机构实现在外骨骼辅助人体行走时触地相和弹起相的变刚度驱动，提高液压系统能量分配与人体下肢行走匹配性。

Description

一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统及其 控制方法
技术领域
本发明涉及外骨骼机器人控制领域，具体是一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统及其控制方法。
背景技术
随着人口老龄化加重、脑卒中人数增多、交通事故频发等原因，我国下肢运动功能障碍患者的数量越来越多。故可穿戴下肢外骨骼助力机器人作为一种能够辅助人体下肢运动的智能设备，成为社会发展的需求。
目前外骨骼机器人关节驱动方式主要采用电机驱动和液压驱动。其中，液压驱动主要以液压缸为执行器，以类似于人体肌肉的方式布置在下肢外骨骼中，使整体结构比较简洁。现阶段多数液压驱动式下肢外骨骼机器人采用单液压基站，即采用一个油箱和相应数量的泵、电机等液压元件构成一个液压系统，通常以背包的形式固定在外骨骼腰带上部，如中国专利申请号为201610777958.0的“一种外骨骼机器人用微型液压伺服系统”和中国专利申请号为201610728084.X 的“一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人”。单液压基站主要缺点是：1.油管及油管接头较多，增加油路泄露的风险；2.液压缸与伺服阀间油管过长，降低系统性能。另外，中国专利号为201510499515.5的“可穿戴式助力外骨骼下肢机构”和中国专利号为200980118130.2的“通过使用下肢外骨骼来减少人的能量消耗的设备和方法”中均采用蓄能器进行能量储存和能量供给。对于助力型下肢外骨骼机器人，采用蓄能器作为能量储存方式会增加其液压系统重量，为外骨骼实现无背包化增加困难。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统及其控制方法。
一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统，包括用于反馈信息及系统规划信息的主控制器，还包括：
左腿传感器检测模块和右腿传感器检测模块，通过位移传感器和力传感器测量液压缸位移值及助力值，用作系统反馈；左腿电机驱动模块和右腿电机驱动模块，通过电机控制泵流量，控制液压系统动力源输出；左腿关节驱动模块和右腿关节驱动模块，通过控制各液压阀块，有序控制各液压执行元件。
所述的左腿关节驱动模块包括左腿单向电磁阀一、左腿单向电磁阀二、左腿比例节流阀、左腿伺服比例阀、左膝关节液压缸、左髋关节液压缸；所述的右腿关节驱动模块包括右腿单向电磁阀一、右腿单向电磁阀二、右腿比例节流阀、右腿伺服比例阀、右膝关节液压缸、右髋关节液压缸。
所述的左腿关节驱动模块的左膝关节液压缸和右腿关节驱动模块的右膝关节液压缸均采用能够实现关节驱动变刚度的弹簧与盘簧结构。
所述的左膝关节液压缸、左髋关节液压缸、右膝关节液压缸、右髋关节液压缸均包括左腿变刚度关节驱动系统和右腿变刚度关节驱动系统，该驱动系统包括液压动力模块。
一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统的控制方法，其具体步骤如下：
步骤一：引用临床步态分析CGA标准步态数据库人体关节步态数据，通过虚拟样机分析软件，得到外骨骼进行标准步态行走时各关节液压缸对应位移数据，作为规划的步态数据；
步骤二：根据标准步态周期内，外骨骼髋关节及膝关节液压缸位移变化趋势，将步态周期分为四个阶段：
阶段1：髋关节液压缸位移减小，膝关节液压缸位移减小；
阶段2：髋关节液压缸位移减小，膝关节液压缸位移增大；
阶段3：髋关节液压缸位移增大，膝关节液压缸位移减小；
阶段4：髋关节液压缸位移增大，膝关节液压缸位移增大。
步骤三：髋关节与膝关节液压缸位移传感器分别测量当前液压缸位移数据，判定所处步态周期阶段：
对于左腿，当处步态周期阶段1时：左腿伺服比例阀进油口P接通A，回油口T接通B1和B2，左腿比例节流阀开通，左腿单向电磁阀二和左腿单向电磁阀一关闭，膝关节液压缸内部的弹簧及盘簧将势能转化为其对应机械能；
当处步态周期阶段2时：左腿伺服比例阀进油口P接通A，回油口T接通B1和B2，左腿比例节流阀关闭，左腿单向电磁阀二开通，左腿单向电磁阀一关闭，髋关节液压缸油液压力能转化为膝关节液压缸内部弹簧及盘簧势能；
当处步态周期阶段3时：左腿伺服比例阀进油口P接通B1和B2，回油口T接通A，左腿比例节流阀关闭，左腿单向电磁阀二关闭，左腿单向电磁阀一开通，膝关节液压缸内部弹簧及盘簧将势能转化为髋关节液压缸机械能；
当处步态周期阶段4时：左腿伺服比例阀进油口P接通B1和B2，回油口T接通A，左腿比例节流阀打开，左腿单向电磁阀二和左腿单向电磁阀一关闭，液压泵站压力能转化为髋关节液压缸机械能及膝关节液压缸机械能和势能；
对于右腿，当处步态周期阶段1时：右腿伺服比例阀进油口P接通A，回油口T接通B1和B2，右腿比例节流阀开通，右腿单向电磁阀二和右腿单向电磁阀一关闭，膝关节液压缸内部的弹簧及盘簧将势能转化为其对应机械能；
当处步态周期阶段2时：右腿伺服比例阀进油口P接通A，回油口T接通B1和B2，右腿比例节流阀关闭，右腿单向电磁阀二开通，右腿单向电磁阀一关闭，髋关节液压缸油液压力能转化为膝关节液压缸内部弹簧及盘簧势能；
当处步态周期阶段3时：右腿伺服比例阀进油口P接通B1和B2，回油口T接通A，右腿比例节流阀关闭，右腿单向电磁阀二关闭，右腿单向电磁阀一开通，膝关节液压缸内部弹簧及盘簧将势能转化为髋关节液压缸机械能；
当处步态周期阶段4时：右腿伺服比例阀进油口P接通B1和B2，回油口T接通A，左腿比例节流阀右腿比例节流阀打开，右腿单向电磁阀二和右腿单向电磁阀一关闭，液压泵站压力能转化为髋关节液压缸机械能及膝关节液压缸机械能和势能。
本发明的有益效果是：采用分布式液压基站，实现外骨骼控制系统无背包化，左膝关节液压缸、右膝关节液压缸采用弹簧与盘簧结构，在液压缸推杆推出时储存能量，推杆回收时释放能量，通过对髋关节与膝关节液压系统的耦合设计，构建两者能量通道，减小外骨骼驱动系统功率输出，同时弹簧与盘簧机构实现在外骨骼辅助人体行走时触地相和弹起相的变刚度驱动，提高液压系统能量分配与人体下肢行走匹配性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的控制系统图；
图2为本发明的左腿变刚度关节驱动系统和右腿变刚度关节驱动系统结构图；
图3为本发明的人机协同助行关节位移图；
图4为本发明的控制方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
如图1至图4所示，一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统，包括用于反馈信息及系统规划信息的主控制器1，还包括：
左腿传感器检测模块和右腿传感器检测模块，通过位移传感器和力传感器测量液压缸位移值及助力值，用作系统反馈；左腿电机驱动模块和右腿电机驱动模块，通过电机控制泵流量，控制液压系统动力源输出；左腿关节驱动模块和右腿关节驱动模块，通过控制各液压阀块，有序控制各液压执行元件。
所述的外骨骼机器人关节液压驱动控制系统采用双电机驱动分布式液压动力源，实现外骨骼液压驱动系统无背包化。
所述的主控制器1包括分别与左腿传感器检测模块2、右腿传感器检测模块5配合的两组A/D转换模块、分别与左腿电机驱动模块3、右腿电机驱动模块6配合的两组PWM输出模块。
所述的主控制器1根据左腿传感器检测模块2和右腿传感器检测模块5反馈信息及系统规划信息，控制左腿电机驱动模块3和右腿电机驱动模块6及左腿关节驱动模块4及右腿关节驱动模块7。
采用分布式液压基站，实现外骨骼控制系统无背包化，左膝关节液压缸1.12、右膝关节液压缸2.12采用弹簧与盘簧结构，在液压缸推杆推出时储存能量，推杆回收时释放能量，通过对髋关节与膝关节液压系统的耦合设计，构建两者能量通道，减小外骨骼驱动系统功率输出，同时弹簧与盘簧机构实现在外骨骼辅助人体行走时触地相和弹起相的变刚度驱动，提高液压系统能量分配与人体下肢行走匹配性。
所述的左腿传感器检测模块2包括用于感应左膝位移量的左膝位移传感器1.16、用于感应左髋位移量的左髋位移传感器1.14、用于感应左膝压力数值的左膝压力传感器1.17、用于感应左髋压力数值的左髋压力传感器1.15；所述的右腿传感器检测模块5包括用于感应右膝位移量的右膝位移传感器2.16、用于感应右髋位移量的右髋位移传感器2.14、用于感应右膝压力数值的右膝压力传感器2.17、用于感应右髋压力数值的右髋压力传感器2.15。
所述的左腿电机驱动模块3包括受PWM输出模块控制的左腿伺服电机1.4、与左腿伺服电机1.4配合的左腿变量泵1.3；所述的右腿电机驱动模块6包括受PWM输出模块控制的右腿伺服电机2.4、与右腿伺服电机2.4配合的右腿变量泵2.3。
所述的左腿关节驱动模块4包括左腿单向电磁阀一1.10、左腿单向电磁阀二1.9、左腿比例节流阀1.8、左腿伺服比例阀1.7、左膝关节液压缸1.12、左髋关节液压缸1.11；所述的右腿关节驱动模块7包括右腿单向电磁阀一2.10、右腿单向电磁阀二2.9、右腿比例节流阀2.8、右腿伺服比例阀2.7、右膝关节液压缸2.12、右髋关节液压缸2.11。
所述的左腿关节驱动模块4的左膝关节液压缸1.12和右腿关节驱动模块7的右膝关节液压缸2.12均采用能够实现关节驱动变刚度的弹簧与盘簧结构，储存膝关节液压缸推出时所作正功，实现关节驱动变刚度，同时构建髋关节与膝关节液压系统能量耦合通道，减小外骨骼驱动系统功率输出，提高液压系统能量分配与人体下肢行走匹配性。
所述的左膝关节液压缸1.12、左髋关节液压缸1.11、右膝关节液压缸2.12、右髋关节液压缸2.11均包括分别用于驱动左腿跟右腿且内部结构相同的左腿变刚度关节驱动系统和右腿变刚度关节驱动系统，该驱动系统包括液压动力模块。
所述的左腿变刚度关节驱动系统的液压动力模块包括左腿油箱1.1、左腿过滤器1.2、左腿调压阀1.5、左腿压力计1.6；所述的右腿变刚度关节驱动系统的液压动力模块包括右腿油箱2.1、右腿过滤器2.2、右腿直流电机2.4、右腿调压阀2.5、右腿压力计2.6。
一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统的控制方法，其具体步骤如下：
步骤一：引用临床步态分析CGA标准步态数据库人体关节步态数据，通过虚拟样机分析软件，得到外骨骼进行标准步态行走时各关节液压缸对应位移数据，作为规划的步态数据；
步骤二：根据标准步态周期内，外骨骼髋关节及膝关节液压缸位移变化趋势，将步态周期分为四个阶段：
阶段1：髋关节液压缸位移减小，膝关节液压缸位移减小；
阶段2：髋关节液压缸位移减小，膝关节液压缸位移增大；
阶段3：髋关节液压缸位移增大，膝关节液压缸位移减小；
阶段4：髋关节液压缸位移增大，膝关节液压缸位移增大。
步骤三：髋关节与膝关节液压缸位移传感器分别测量当前液压缸位移数据，判定所处步态周期阶段：
对于左腿，当处步态周期阶段1时：左腿伺服比例阀1.7进油口P接通A，回油口T接通B1和B2，左腿比例节流阀1.8开通，左腿单向电磁阀二1.9和左腿单向电磁阀一1.10关闭，膝关节液压缸内部的弹簧及盘簧将势能转化为其对应机械能；
当处步态周期阶段2时：左腿伺服比例阀1.7进油口P接通A，回油口T接通B1和B2，左腿比例节流阀1.8关闭，左腿单向电磁阀二1.9开通，左腿单向电磁阀一1.10关闭，髋关节液压缸油液压力能转化为膝关节液压缸内部弹簧及盘簧势能；
当处步态周期阶段3时：左腿伺服比例阀1.7进油口P接通B1和B2，回油口T接通A，左腿比例节流阀1.8关闭，左腿单向电磁阀二1.9关闭，左腿单向电磁阀一1.10开通，膝关节液压缸内部弹簧及盘簧将势能转化为髋关节液压缸机械能；
当处步态周期阶段4时：左腿伺服比例阀1.7进油口P接通B1和B2，回油口T接通A，左腿比例节流阀1.8打开，左腿单向电磁阀二1.9和左腿单向电磁阀一1.10关闭，液压泵站压力能转化为髋关节液压缸机械能及膝关节液压缸机械能和势能；
对于右腿，当处步态周期阶段1时：右腿伺服比例阀2.7进油口P接通A，回油口T接通B1和B2，右腿比例节流阀2.8开通，右腿单向电磁阀二2.9和右腿单向电磁阀一2.10关闭，膝关节液压缸内部的弹簧及盘簧将势能转化为其对应机械能；
当处步态周期阶段2时：右腿伺服比例阀2.7进油口P接通A，回油口T接通B1和B2，右腿比例节流阀2.8关闭，右腿单向电磁阀二2.9开通，右腿单向电磁阀一2.10关闭，髋关节液压缸油液压力能转化为膝关节液压缸内部弹簧及盘簧势能；
当处步态周期阶段3时：右腿伺服比例阀2.7进油口P接通B1和B2，回油口T接通A，右腿比例节流阀2.8关闭，右腿单向电磁阀二2.9关闭，右腿单向电磁阀一2.10开通，膝关节液压缸内部弹簧及盘簧将势能转化为髋关节液压缸机械能；
当处步态周期阶段4时：右腿伺服比例阀2.7进油口P接通B1和B2，回油口T接通A，左腿比例节流阀1.8右腿比例节流阀2.8打开，右腿单向电磁阀二2.9和右腿单向电磁阀一2.10关闭，液压泵站压力能转化为髋关节液压缸机械能及膝关节液压缸机械能和势能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统，其特征在于：包括用于反馈信息及系统规划信息的主控制器（1），还包括：
左腿传感器检测模块（2）和右腿传感器检测模块（5），通过位移传感器和力传感器测量液压缸位移值及助力值，用作系统反馈；左腿电机驱动模块（3）和右腿电机驱动模块（6），通过电机控制泵流量，控制液压系统动力源输出；左腿关节驱动模块（4）和右腿关节驱动模块（7），通过控制各液压阀块，有序控制各液压执行元件；
所述的左腿关节驱动模块（4）包括左腿单向电磁阀一（1.10）、左腿单向电磁阀二（1.9）、左腿比例节流阀（1.8）、左腿伺服比例阀（1.7）、左膝关节液压缸（1.12）、左髋关节液压缸（1.11）；所述的右腿关节驱动模块（7）包括右腿单向电磁阀一（2.10）、右腿单向电磁阀二（2.9）、右腿比例节流阀（2.8）、右腿伺服比例阀（2.7）、右膝关节液压缸（2.12）、右髋关节液压缸（2.11）；所述的左腿关节驱动模块（4）的左膝关节液压缸（1.12）和右腿关节驱动模块（7）的右膝关节液压缸（2.12）均采用能够实现关节驱动变刚度的弹簧与盘簧结构；所述的左膝关节液压缸（1.12）、左髋关节液压缸（1.11）、右膝关节液压缸（2.12）、右髋关节液压缸（2.11）均包括分别用于驱动左腿跟右腿且内部结构相同的左腿变刚度关节驱动系统和右腿变刚度关节驱动系统，该驱动系统包括液压动力模块；
通过虚拟样机分析软件，得到外骨骼进行标准步态行走时各关节液压缸对应位移数据，作为规划的步态数据；根据标准步态周期内，外骨骼髋关节及膝关节液压缸位移变化趋势，将步态周期分为四个阶段：阶段1：髋关节液压缸位移减小，膝关节液压缸位移减小；阶段2：髋关节液压缸位移减小，膝关节液压缸位移增大；阶段3：髋关节液压缸位移增大，膝关节液压缸位移减小；阶段4：髋关节液压缸位移增大，膝关节液压缸位移增大；髋关节与膝关节液压缸位移传感器分别测量当前液压缸位移数据，判定所处步态周期阶段；当处步态周期阶段1时，膝关节液压缸内部的弹簧及盘簧将势能转化为其对应机械能；当处步态周期阶段2时，髋关节液压缸油液压力能转化为膝关节液压缸内部弹簧及盘簧势能；当处步态周期阶段3时，膝关节液压缸内部弹簧及盘簧将势能转化为髋关节液压缸机械能；当处步态周期阶段4时，液压泵站压力能转化为髋关节液压缸机械能及膝关节液压缸机械能和势能。
2.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统的控制方法，其特征在于：其具体步骤如下：
步骤一：引用临床步态分析（CGA）标准步态数据库人体关节步态数据，通过虚拟样机分析软件，得到外骨骼进行标准步态行走时各关节液压缸对应位移数据，作为规划的步态数据；
步骤二：根据标准步态周期内，外骨骼髋关节及膝关节液压缸位移变化趋势，将步态周期分为四个阶段：
阶段1：髋关节液压缸位移减小，膝关节液压缸位移减小；
阶段2：髋关节液压缸位移减小，膝关节液压缸位移增大；
阶段3：髋关节液压缸位移增大，膝关节液压缸位移减小；
阶段4：髋关节液压缸位移增大，膝关节液压缸位移增大；
步骤三：髋关节与膝关节液压缸位移传感器分别测量当前液压缸位移数据，判定所处步态周期阶段：
对于左腿，当处步态周期阶段1时：左腿伺服比例阀（1.7）进油口P接通A，回油口T接通B1和B2，左腿比例节流阀（1.8）开通，左腿单向电磁阀二（1.9）和左腿单向电磁阀一（1.10）关闭，膝关节液压缸内部的弹簧及盘簧将势能转化为其对应机械能；
当处步态周期阶段2时：左腿伺服比例阀（1.7）进油口P接通A，回油口T接通B1和B2，左腿比例节流阀（1.8）关闭，左腿单向电磁阀二（1.9）开通，左腿单向电磁阀一（1.10）关闭，髋关节液压缸油液压力能转化为膝关节液压缸内部弹簧及盘簧势能；
当处步态周期阶段3时：左腿伺服比例阀（1.7）进油口P接通B1和B2，回油口T接通A，左腿比例节流阀（1.8）关闭，左腿单向电磁阀二（1.9）关闭，左腿单向电磁阀一（1.10）开通，膝关节液压缸内部弹簧及盘簧将势能转化为髋关节液压缸机械能；
当处步态周期阶段4时：左腿伺服比例阀（1.7）进油口P接通B1和B2，回油口T接通A，左腿比例节流阀（1.8）打开，左腿单向电磁阀二（1.9）和左腿单向电磁阀一（1.10）关闭，液压泵站压力能转化为髋关节液压缸机械能及膝关节液压缸机械能和势能；
对于右腿，当处步态周期阶段1时：右腿伺服比例阀（2.7）进油口P接通A，回油口T接通B1和B2，右腿比例节流阀（2.8）开通，右腿单向电磁阀二（2.9）和右腿单向电磁阀一（2.10）关闭，膝关节液压缸内部的弹簧及盘簧将势能转化为其对应机械能；
当处步态周期阶段2时：右腿伺服比例阀（2.7）进油口P接通A，回油口T接通B1和B2，右腿比例节流阀（2.8）关闭，右腿单向电磁阀二（2.9）开通，右腿单向电磁阀一（2.10）关闭，髋关节液压缸油液压力能转化为膝关节液压缸内部弹簧及盘簧势能；
当处步态周期阶段3时：右腿伺服比例阀（2.7）进油口P接通B1和B2，回油口T接通A，右腿比例节流阀（2.8）关闭，右腿单向电磁阀二（2.9）关闭，右腿单向电磁阀一（2.10）开通，膝关节液压缸内部弹簧及盘簧将势能转化为髋关节液压缸机械能；
当处步态周期阶段4时：右腿伺服比例阀（2.7）进油口P接通B1和B2，回油口T接通A，左腿比例节流阀（1.8）右腿比例节流阀（2.8）打开，右腿单向电磁阀二（2.9）和右腿单向电磁阀一（2.10）关闭，液压泵站压力能转化为髋关节液压缸机械能及膝关节液压缸机械能和势能。
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