CN113855472A - 用于控制外骨骼机器人的方法、装置和外骨骼机器人 - Google Patents

用于控制外骨骼机器人的方法、装置和外骨骼机器人 Download PDF

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Abstract

本申请涉及机器人技术领域，公开一种用于控制外骨骼机器人的方法。该用于控制外骨骼机器人的方法包括：获得设定负重系数；根据外骨骼机器人的关节的角度确定外骨骼机器人的关节的初始重力矩补偿值；通过设定负重系数对初始重力矩补偿值进行调整，获得调整重力矩补偿值；根据调整重力矩补偿值对外骨骼机器人的关节进行控制。采用该用于控制外骨骼机器人的方法可使外骨骼机器人较佳地模拟负重。本申请还公开一种用于控制外骨骼机器人的装置和外骨骼机器人。

Description

用于控制外骨骼机器人的方法、装置和外骨骼机器人
技术领域
本申请涉及机器人技术领域，例如涉及一种用于控制外骨骼机器人的方法、装置和外骨骼机器人。
背景技术
目前，在用户穿戴外骨骼机器人后，外骨骼机器人可为用户提供康复训练、运动辅助等辅助服务。为了在用户使用外骨骼机器人的过程中，使用户与外骨骼机器人可以更好地交互，可以通过设置在外骨骼机器人上的力传感器，检测用户与外骨骼机器人之间的交互力，再通过导纳控制方法，将交互力作为控制系统的输入来调整外骨骼机器人的设定运动位置。这种控制方案可使外骨骼机器人按照用户的意图进行移动。
在外骨骼机器人用于康复训练过程的情况下，用户通常还需要一定的力量训练。为了使用户进行力量训练，可首先构建外骨骼机器人的重力补偿模型，然后通过重力补偿模型得到当前姿态的重力值，再设置一个力阈值，如果外骨骼机器人足底的力传感器检测到力大于或等于重力值和力阈值之和，则允许外骨骼机器人运动，否则控制外骨骼机器人静止不动。这样，通过调整力阈值，可以调整为了驱动外骨骼机器人运动而需要用户施加的主动力，进而使用户获得比较好的力量训练体验。
在实现本公开实施例的过程中，发现相关技术中至少存在如下问题：
在用户运动过程中，用户足底的力的变化范围比较大，例如在落地过程中，足底的力也会非常大，甚至直接超过外骨骼机器人的重力值与力阈值之和，然而此时并非用户施加的主动力，而是为了实现平衡被动产生的力，这将导致外骨骼机器人获得允许运动的判断结果，可见，现有技术容易出现误判的现象，使外骨骼机器人无法较佳地模拟负重，最终导致用户使用体验较差。
发明内容
为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。
本公开实施例提供了一种用于外骨骼机器人的控制方法、装置和外骨骼机器人，以解决外骨骼机器人无法较佳地模拟负重的技术问题。
在一些实施例中，用于控制外骨骼机器人的方法包括：获得设定负重系数；根据外骨骼机器人的关节的角度确定所述外骨骼机器人的关节的初始重力矩补偿值；通过所述设定负重系数对所述初始重力矩补偿值进行调整，获得调整重力矩补偿值；根据所述调整重力矩补偿值对所述外骨骼机器人的关节进行控制。
可选地，根据外骨骼机器人的关节的角度确定所述外骨骼机器人的关节的初始重力矩补偿值，包括：获得外骨骼机器人的大腿连杆相对于竖直方向的第一角度，以及所述外骨骼机器人的小腿连杆相对于所述大腿连杆延长线的第二角度；获得所述第一角度的第一正弦值，以及所述第二角度与所述第一角度的差值的第二正弦值；在所述外骨骼机器人的关节为髋关节的情况下，获得所述第一正弦值和第一设定参数的第一乘积，以及所述第二正弦值与第二设定参数的第二乘积；根据所述第一乘积和所述第二乘积的第一和确定所述髋关节的第一初始重力矩补偿值；在所述外骨骼机器人的关节为膝关节的情况下，获得所述第一正弦值和第三设定参数的第三乘积，以及所述第二正弦值与第四设定参数的第四乘积；根据所述第三乘积和所述第四乘积的第二和确定所述膝关节的第二初始重力矩补偿值；其中，所述第一设定系数与所述大腿连杆、所述小腿连杆的质量正相关；所述第二设定系数与所述小腿连杆的质量正相关，所述第三设定系数与所述大腿连杆、所述小腿连杆的质量正相关，所述第四设定参数与所述小腿连杆的质量正相关。
可选地，通过所述设定负重系数对所述初始重力矩补偿值进行调整，获得调整重力矩补偿值，包括：将所述设定负重系数与所述初始重力矩补偿值的乘积，确定为所述调整重力矩补偿值。
可选地，根据所述调整重力矩补偿值对所述外骨骼机器人的关节进行控制，包括：将所述调整重力矩补偿值补偿至所述外骨骼机器人的关节的执行机构；获得所述初始重力矩补偿值与所述调整重力矩补偿值的重力矩补偿差值；获得所述外骨骼机器人的关节对应的外力矩；根据力矩与角度的对应关系，获得所述外力矩和所述重力矩补偿差值的合力矩相对应的期望角度，根据所述期望角度对所述外骨骼机器人的关节进行控制。
可选地，获得所述外骨骼机器人的关节对应的外力矩，包括：获得所述外骨骼机器人的大腿连杆所受的第一外力，以及所述外骨骼机器人的小腿连杆所受的第二外力；根据所述第一外力和所述第二外力确定所述外骨骼机器人的大腿连杆对应的第一外力矩，以及所述外骨骼机器人的小腿连杆对应的第二外力矩。
可选地，根据所述第一外力和所述第二外力确定所述外骨骼机器人的大腿连杆对应的第一外力矩，以及所述外骨骼机器人的小腿连杆对应的第二外力矩，包括：获得所述第一外力与第五设定参数的第五乘积，以及所述第二外力与第六设定参数的第六乘积，将所述第五乘积和所述第六乘积的第三和，确定为所述外骨骼机器人的大腿连杆所受的第一外力矩；获得所述第二外力与第六设定参数的第七乘积，以及所述第二外力与第八设定参数的第八乘积，将所述第七乘积和所述第八乘积的第四和，确定为所述外骨骼机器人的小腿连杆所受的第二外力矩；其中，所述第五设定参数与所述大腿连杆的长度正相关，所述第六设定参数与所述小腿连杆的长度正相关，所述第七设定参数与所述大腿连杆的长度正相关，所述第八设定参数与所述小腿连杆的长度正相关。
在一些实施例中，外骨骼机器人包括主动腿和被动腿，用于控制外骨骼机器人的方法包括：获得设定负重系数；根据所述主动腿的关节的角度确定所述外骨骼机器人的关节的重力矩补偿值；通过所述设定负重系数对所述重力矩补偿值进行调整，获得调整重力矩补偿值；根据所述调整重力矩补偿值对所述主动腿的关节进行控制，并获得所述主动腿的步态参数；根据所述主动腿的步态参数对所述被动腿进行控制，使所述被动腿按照所述步态参数运动。
可选地，所述步态参数包括步行周期，获得所述主动腿的步态参数，包括：获得所述主动腿的髋关节的角度以及角速度上次满足步行周期中特定时期的表示条件的第一时刻；获得所述主动腿的髋关节的角度以及角速度本次满足步行周期中特定时期的表示条件的第二时刻；将所述第二时刻与所述第一时刻之间的时长确定为所述步行周期。
在一些实施例中，用于控制外骨骼机器人的装置包括处理器和存储有程序指令的存储器，所述处理器被配置为在执行所述程序指令时，执行前述实施例提供的用于控制外骨骼机器人的方法。
在一些实施例中，外骨骼机器人包括前述实施例提供的用于控制外骨骼机器人的装置。
本公开实施例提供的用于控制外骨骼机器人的方法、装置和外骨骼机器人，可以实现以下技术效果：
重力矩补偿值可对外骨骼机器人的关节所受的重力矩进行补偿，设定负重系数可对重力矩补偿值进行调整，例如将重力矩补偿值调整的越小，则驱动外骨骼机器人运动所需要的外力越大，在设置后设定负重系数之后，外骨骼机器人的运动状态，例如足底落地状态，不会影响外骨骼机器人所模拟的负重状态。这样在不同的运动状态下，模拟负重的外骨骼机器人均对应一个符合实际运动状态的驱动外骨骼机器人运动所需的外力，可使外骨骼机器人较佳地模拟负重，提高了用户的使用体验。
以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。
附图说明
一个或一个以上实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件视为类似的元件，并且其中：
图1是本公开实施例提供的一种外骨骼机器人的示意图；
图2是本公开实施例提供的一种用于控制外骨骼机器人的方法的示意图；
图3是本公开实施例提供的一种用于控制外骨骼机器人的方法的示意图；
图4是本公开实施例提供的一种用于控制外骨骼机器人的装置的示意图。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或一个以上实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。
本公开实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
除非另有说明，术语“多个”表示两个以上。
本公开实施例中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，A/B表示：A或B。
术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，表示：A或B，或，A和B这三种关系。
图1是本公开实施例提供的一种外骨骼机器人的示意图，用于示意性说明本申请中的部分术语的具体含义。
该外骨骼机器人包括髋关节11、大腿连杆12、膝关节13和小腿连杆14，其中，大腿连杆12在髋关节11的牵引下运动，小腿连杆14在膝关节13的牵引下运动，
以第一角度θ1表示髋关节11的角度，第一角度θ1指的是大腿连杆12相对于竖直方向的角度；以第二角度θ2表示膝关节13的角度，第二角度θ2指的是小腿连杆14相对于大腿连杆12的延长线的角度。
图2是本公开实施例提供的一种用于控制外骨骼机器人的方法的示意图。该用于控制外骨骼机器人的方法可由外骨骼机器人的控制器执行。
结合图2所示，用于控制外骨骼机器人的方法包括：
S201、获得设定负重系数。
设定负重系数可以是外骨骼机器人出厂时设定的，还可以是由用户设定的，设定负重系数存储在存储器中，读取存储器中的数据，即可获得设定负重系数。
S202、根据外骨骼机器人的关节的角度确定外骨骼机器人的关节的初始重力矩补偿值。
外骨骼机器人包括髋关节和膝关节，本公开实施例中提供的用于控制外骨骼机器人的方法，可只应用于外骨骼机器人的髋关节的控制过程，还可只应用于外骨骼机器人的膝关节的控制过程，或者，还可同时应用于外骨骼机器人的髋关节和膝关节的控制过程。
在本方法只应用于外骨骼机器人的髋关节的控制过程的情况下，根据外骨骼机器人的关节的角度确定外骨骼机器人的髋关节的初始重力矩补偿值；在本方法只应用于外骨骼机器人的膝关节的控制过程的情况下，根据外骨骼机器人的关节的角度确定外骨骼机器人的膝关节的初始重力矩补偿值；在本方法同时应用于髋关节和膝关节的控制过程的情况下，根据外骨骼机器人的关节的角度确定外骨骼机器人的髋关节的第一初始重力矩补偿值和外骨骼机器人的膝关节的第二初始重力矩补偿值。
可获得外骨骼机器人的大腿连杆相对于竖直方向的第一角度以及外骨骼机器人的小腿连杆相对于大腿连杆延长线的第二角度，并根据第一角度和第二角度确定外骨骼机器人的关节的初始重力矩补偿值。
具体地，根据外骨骼机器人的关节的角度确定外骨骼机器人的关节的重力矩补偿值，可包括：获得外骨骼机器人的大腿连杆相对于竖直方向的第一角度，以及外骨骼机器人的小腿连杆相对于大腿连杆延长线的第二角度；获得第一角度的第一正弦值，以及第二角度与第一角度的差值的第二正弦值；在外骨骼机器人的关节为髋关节的情况下，获得第一正弦值和第一设定参数的第一乘积，以及第二正弦值与第二设定参数的第二乘积；根据第一乘积和第二乘积的第一和确定髋关节的第一重力矩补偿值；在外骨骼机器人的关节为膝关节的情况下，获得第一正弦值和第三设定参数的第三乘积，以及第二正弦值与第四设定参数的第四乘积；根据第三乘积和第四乘积的第二和确定膝关节的第二重力矩补偿值；其中，第一设定系数与大腿连杆、小腿连杆的质量正相关；第二设定系数与小腿连杆的质量正相关，第三设定系数与大腿连杆、小腿连杆的质量正相关，第四设定参数与小腿连杆的质量正相关。
采用上述技术方案，即可获得髋关节的第一重力矩补偿值，以及膝关节的第二重力矩补偿值，例如，可将第一和确定为髋关节的第一重力矩补偿值，将第二和确定为膝关节的重力矩补偿值。
在一些具体应用中，可按照如下公式确定第一重力矩补偿值和第二重力矩补偿值：
V1＝sinθ1；
V2＝sin(θ2－θ1)；
τ1＝a11×V1+a12×V2；
τ2＝a21×V1+a22×V2；
其中，θ1为第一角度，θ2为第二角度，V1为第一正弦值，V2为第二正弦值，a11为第一设定参数，a12为第二设定参数，a21为第三设定参数，a22为第四设定参数，τ1为第一重力矩补偿值，τ2为第二重力矩补偿值。
为了确定准确的第一设定参数、第二设定参数、第三设定参数和第四设定参数，可通过试验的方式确定第一设定参数、第二设定参数、第三设定参数和第四设定参数。例如，设置两组不同的第一角度和第二角度，并检测髋关节输出的两组力矩以及膝关节输出的两组力矩，这样，构建二元一次方程组，即可获得分别获得第一设定参数、第二设定参数、第三设定参数和第四设定参数。
在一些实际应用中，用户以穿戴外骨骼机器人，在用户处于放松状态下，控制外骨骼机器人的髋关节输出第一力矩，控制外骨骼机器人的膝关节输出第二力矩，此时检测获得一组第一角度和第二角度，再控制外骨骼机器人的髋关节输出第三力矩，控制外骨骼机器人的膝关节输出第四力矩，再检测获得另一组第一角度和第二角度，这样，依据两组第一角度和第二角度，以及第一力矩、第二力矩、第三力矩和第四力矩，构建二元一次方程组，即可获得适应于当前用户的第一设定参数、第二设定参数、第三设定参数和第四设定参数。
本公开实施例对试验获得第一设定参数、第二设定参数、第三设定参数和第四设定参数时髋关节的输出力矩以及角度、膝关节的输出力矩以及角度不做具体限定，本领域技术人员根据实际情况确定容易计算的髋关节的输出力矩以及角度、膝关节的输出力矩以及角度即可。
S203、通过设定负重系数对初始重力矩补偿值进行调整，获得调整重力矩补偿值。
通过设定负重系数对重力矩补偿值进行调整，使初始重力矩补偿值放大或缩小，该调整重力矩补偿值即为放大或缩小后的初始重力矩补偿值。
可通过以下方式通过设定负重系数对初始重力矩补偿值进行调整，并获得调整重力矩补偿值：可将设定负重系数与初始重力矩补偿值的乘积，确定为调整重力矩补偿值；或者，可将初始重力矩补偿与设定负重系数的商，确定为调整重力矩补偿值。
S204、根据调整重力矩补偿值对外骨骼机器人的关节进行控制。
根据调整重力矩补偿值对外骨骼机器人的关节进行控制，指的是根据调整重力矩补偿值对外骨骼机器人的关节进行补偿，再对外骨骼机器人的关节进行控制，使在现有的外骨骼机器人的关节控制算法的输出为零时，外骨骼机器人的关节在调整重力矩补偿值以及外力作用下，外骨骼机器人的关节可维持静止不动。例如，在调整重力矩补偿值可完全补偿(调整重力矩补偿值等于外骨骼机器人的重力施加给外骨骼机器人的关节的力矩)，且外骨骼机器人的关节控制算法的输出为零的情况下，则外骨骼机器人所受外力为零，即可维持静止不动；在调整重力矩补偿值不可完全补偿(调整重力矩补偿值小于外骨骼机器人的重力施加给外骨骼机器人的关节的力矩)，且外骨骼机器人的关节控制算法的输出为零的情况下，则外骨骼机器人需要再承受一定外力，可维持静止不动。
为了更好地使外骨骼机器人实现模拟负重，根据调整重力矩补偿值对外骨骼机器人的关节进行控制，可包括：将调整重力矩补偿值补偿至外骨骼机器人的关节的执行机构；获得初始重力矩补偿值与调整重力矩补偿值的重力矩补偿差值；获得外骨骼机器人的关节对应的外力矩；根据力矩与角度的对应关系，获得外力矩和重力矩补偿差值的合力矩相对应的期望角度，根据期望角度对外骨骼机器人的关节进行控制。
其中，机器人的关节的执行机构通常是驱动外骨骼机器人的关节运动的电机，将调整重力矩补偿值补偿至外骨骼机器人的关节的执行机构，使外骨骼机器人的关节的执行机构额外输出与重力矩补偿值相对应的力矩。
力矩与角度的对应关系可以是预设的一一对应的，例如可将力矩与角度一一对应的关系预存在数据库中，在获得外力矩和重力矩补偿差值的合力矩后，即可在数据库中查询到与外力矩和重力矩补偿差值的合力矩相对应的期望角度。
还可采用公式的形式存储力矩与角度的对应关系，例如：
Figure BDA0003228831750000091
其中，θ为角度，
Figure BDA0003228831750000092
为角度θ的一阶导数，
Figure BDA0003228831750000093
为角度θ的二阶导数，M为外骨骼机器人的惯性参数，B为外骨骼机器人的阻尼参数，T为力矩。
惯性是物体的一种固有属性，表现为物体对其运动状态变化的一种阻抗程度，质量是对物体惯性大小的量度。根据公式F＝ma，对物体施加的作用力一定时，物体质量越大，加速度越小，对运动的调节越慢，也就是说，机器人末端的接触力调节越慢，为了使机器人末端的接触力更快的达到期望的力，应选择更小的惯性参数M。
阻尼指任何振动系统在振动中，由于外界作用或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征。阻尼的物理意义是力的衰减，或物体在运动中能量的消散，通俗地讲就是阻止物体继续运动。当物体受到外力作用而振动时，会产生一种使外力衰减的反力，称为阻尼力。作用力与阻尼力的比为阻尼系数。阻尼力的方向总是和运动速度相反，因此材料的阻尼系数越大，意味着其减震效果或阻尼效果越好。阻尼的作用是减震，系统越不容易震荡，越容易达到稳态。
根据期望角度对外骨骼机器人的关节进行控制，使外骨骼机器人的关节按照运动到该期望角度，例如，可获得外骨骼机器人的关节的当前角度，并获得期望角度与当前角度的角度差值，利用具有消除偏差功能的控制器获得与该角度差值相对应的控制参数，并依据该控制参数调节外骨骼机器人的关节的执行机构。其中，具有消除偏差功能的控制器可以是比例-积分-微分(Proportion Integration Differentiation，PID)控制器，还可以是线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator，LQR)，本公开实施例对具有消除偏差功能的控制器的具体类型不做限定，本领域技术人员可选择符合实际应用场景中的具有偏差消除功能的控制器。
采用上述技术方案，在外骨骼机器人所受外力矩沿竖直向上方向的分力矩小于重力矩补偿差值的情况下，外骨骼机器人具有向下运动的趋势；在外骨骼机器人所受外力矩沿竖直向上方向的分力矩等于重力矩补偿差值的情况下，外骨骼机器人具有静止不动的趋势；在外骨骼机器人所受外力矩沿竖直向上的分力矩大于重力矩补偿差值的情况下，外骨骼机器人具有向上运动的趋势，这样，可使外骨骼机器人模拟的负重可调，外骨骼机器人较佳地模拟负重，提高用户的使用体验。
可选地，获得外骨骼机器人的关节对应的外力矩，包括：获得外骨骼机器人的大腿连杆所受的第一外力，以及外骨骼机器人的小腿连杆所受的第二外力；根据第一外力和第二外力确定外骨骼机器人的大腿连杆对应的第一外力矩，以及外骨骼机器人的小腿连杆对应的第二外力矩。
这样可更加准确地获得外骨骼机器人的大腿连杆所受的第一外力矩以及小腿连杆所受的第二外力矩。
进一步地，根据第一外力和第二外力确定外骨骼机器人的大腿连杆对应的第一外力矩，以及外骨骼机器人的小腿连杆对应的第二外力矩，包括：获得第一外力与第五设定参数的第五乘积，以及第二外力与第六设定参数的第六乘积，将第五乘积和第六乘积的第三和，确定为外骨骼机器人的大腿连杆所受的第一外力矩；获得第二外力与第六设定参数的第七乘积，以及第二外力与第八设定参数的第八乘积，将第七乘积和第八乘积的第四和，确定为外骨骼机器人的小腿连杆所受的第二外力矩；其中，第五设定参数与大腿连杆的长度正相关，第六设定参数与小腿连杆的长度正相关，第七设定参数与大腿连杆长度正相关，第八设定参数与小腿连杆的长度正相关。
在外骨骼机器人正式工作之前，可先以试验的方式获得第五设定参数、第六设定参数、第七设定参数和第八设定参数，例如施加特定数值的第一外力和第二外力，此时维持外骨骼机器人静止不动，检测外骨骼机器人的髋关节和膝关节输出的力矩，将与髋关节的输出力矩方向相反数值相同的力矩确定为第一外力矩，将与膝关节的输出力矩方向相反数值相同的力矩确定为第二外力矩，这样即可获得一组相对应的第一外力、第二外力、第一外力矩和第二外力矩，再改变第一外力和第二外力，获得第二组相对应的第一外力、第二外力、第一外力矩和第二外力矩，通过构建二元一次方程组，即可获得第五设定参数、第六设定参数、第七设定参数和第八设定参数。这样可获得更加符合实际情况的第五设定参数、第六设定参数、第七设定参数和第八设定参数。
采用上述用于控制外骨骼机器人的方法，重力矩补偿值可对外骨骼机器人的关节所受的重力矩进行补偿，设定负重系数可对重力矩补偿值进行调整，例如将重力矩补偿值调整的越小，则驱动外骨骼机器人运动所需要的外力越大，在设置后设定负重系数之后，外骨骼机器人的运动状态，例如足底落地状态，不会影响外骨骼机器人所模拟的负重状态。这样在不同的运动状态下，模拟负重的外骨骼机器人均对应一个符合实际运动状态的驱动外骨骼机器人运动所需的外力，可使外骨骼机器人较佳地模拟负重，提高了用户的使用体验。
在一些应用场景中，用户穿戴外骨骼机器人，设置在外骨骼机器人上的力传感器检测用户施加给外骨骼机器人的外力，再按照前述方法对外骨骼机器人进行控制，在调整重力矩补偿值可完全补偿的情况下，用户可轻松动作，随着调整重力矩补偿值的减小，需要用户对外骨骼机器人施加一定的外力，才能够轻松运动，这样，通过改变调整重力矩补偿值的大小，即可改变运动过程中需要用户施加给外骨骼机器人的外力，从而实现外骨骼机器人的模拟负重的改变。
在一些具体应用中，外骨骼机器人的双腿均为主动腿，主动腿指的是在用户使用外骨骼机器人的过程中，可直接受用户控制的腿，例如，主动腿中设置有力传感器，用于检测用户施加给主动腿的力，主动腿在该力的作用下运动，这种情况下，可采用上述用于控制外骨骼机器人的方法同时控制该两条主动腿；或者，外骨骼机器人包括主动腿和被动腿，被动腿指的是在用户使用外骨骼机器人的过程中，不可直接受用户控制的腿，例如，被动腿中可不设置力传感器，这种情况下，可采用上述用于控制外骨骼机器人的方法控制该主动腿。
为了实现对包括主动腿和被动腿的外骨骼机器人的运动控制，图3提供的一种用于控制外骨骼机器人的方法，结合图3所示，用于控制外骨骼机器人的方法包括：
S301、获得设定负重系数。
S302、根据主动腿的关节的角度确定主动腿的关节的重力矩补偿值。
可选地，根据主动腿的关节的角度确定主动腿的关节的初始重力矩补偿值，包括：获得主动腿的大腿连杆相对于竖直方向的第一角度，以及主动腿的小腿连杆相对于大腿连杆延长线的第二角度；获得第一角度的第一正弦值，以及第二角度与第一角度的差值的第二正弦值；在主动腿的关节为髋关节的情况下，获得第一正弦值和第一设定参数的第一乘积，以及第二正弦值与第二设定参数的第二乘积；根据第一乘积和第二乘积的第一和确定髋关节的第一初始重力矩补偿值；在主动腿的关节为膝关节的情况下，获得第一正弦值和第三设定参数的第三乘积，以及第二正弦值与第四设定参数的第四乘积；根据第三乘积和第四乘积的第二和确定膝关节的第二初始重力矩补偿值；其中，第一设定系数与大腿连杆、小腿连杆的质量正相关；第二设定系数与小腿连杆的质量正相关，第三设定系数与大腿连杆、小腿连杆的质量正相关，第四设定参数与小腿连杆的质量正相关。
可选地，通过设定负重系数对初始重力矩补偿值进行调整，获得调整重力矩补偿值，包括：将设定负重系数与初始重力矩补偿值的乘积，确定为调整重力矩补偿值。
可选地，根据调整重力矩补偿值对主动腿的关节进行控制，包括：将调整重力矩补偿值补偿至主动腿的关节的执行机构；获得初始重力矩补偿值与调整重力矩补偿值的重力矩补偿差值；获得主动腿的关节对应的外力矩；根据力矩与角度的对应关系，获得外力矩和重力矩补偿差值的合力矩相对应的期望角度，根据期望角度对主动腿的关节进行控制。
可选地，获得主动腿的关节对应的外力矩，包括：获得主动腿的大腿连杆所受的第一外力，以及主动腿的小腿连杆所受的第二外力；根据第一外力和第二外力确定主动腿的大腿连杆对应的第一外力矩，以及主动腿的小腿连杆对应的第二外力矩。
可选地，根据第一外力和第二外力确定主动腿的大腿连杆对应的第一外力矩，以及主动腿的小腿连杆对应的第二外力矩，包括：获得第一外力与第五设定参数的第五乘积，以及第二外力与第六设定参数的第六乘积，将第五乘积和第六乘积的第三和，确定为主动腿的大腿连杆所受的第一外力矩；获得第二外力与第六设定参数的第七乘积，以及第二外力与第八设定参数的第八乘积，将第七乘积和第八乘积的第四和，确定为主动腿的小腿连杆所受的第二外力矩；其中，第五设定参数与大腿连杆的长度正相关，第六设定参数与小腿连杆的长度正相关，第七设定参数与大腿连杆的长度正相关，第八设定参数与小腿连杆的长度正相关。
S303、通过设定负重系数对重力矩补偿值进行调整，获得调整重力矩补偿值。
S304、根据调整重力矩补偿值对主动腿的关节进行控制，并获得主动腿的步态参数。
可选地，步态参数包括步行周期，获得主动腿的步态参数，包括：获得主动腿的髋关节的角度以及角速度上次满足步行周期中特定时期的表示条件的第一时刻；获得主动腿的髋关节的角度以及角速度本次满足步行周期中特定时期的表示条件的第二时刻；将第二时刻与第一时刻之间的时长确定为步行周期。
这样即可实现被动腿与主动腿的步行周期的同步。
可选地，主动腿的髋关节的角度以及角速度满足步行周期中特定时期的表示条件，包括：在主动腿的髋关节的角度大于零的情况下，如果上次获得的主动腿的髋关节的角速度大于零，且本次获得的主动腿的髋关节的角速度小于零，则确定主动腿的髋关节的角度以及角速度满足步行周期中特定时期的表示条件。
或者，主动腿的髋关节的角度以及角速度满足步行周期中特定时期的表示条件，可包括：在主动腿的髋关节的角度小于零的情况下，如果上次获得的主动腿的髋关节的角速度小于零，且本次获得的主动腿的髋关节的角速度大于零，则确定主动腿的髋关节的角度以及角速度满足步行周期中特定时期的表示条件。
或者，主动腿的髋关节的角度以及角速度满足步行周期中特定时期的表示条件，可包括：在主动腿的髋关节的角速度大于零的情况下，如果上次获得的主动腿的髋关节的角度小于零，且本次获得的主动腿的髋关节的角度大于零，则确定主动腿的髋关节的角度以及角速度满足步行周期中特定时期的表示条件。
或者，主动腿的髋关节的角度以及角速度满足步行周期中特定时期的表示条件，可包括：在主动腿的髋关节的角速度小于零的情况下，如果上次获得的主动腿的髋关节的角度大于零，且本次获得的主动腿的髋关节的角度小于零，则确定主动腿的髋关节的角度以及角速度满足步行周期中特定时期的表示条件。
S305、根据主动腿的步态参数对被动腿进行控制，使被动腿按照步态参数运动。
另外，主动腿的步态参数还可包括步行周期开始时刻以及步行曲线。其中，前述列举的多个步行周期中的特定时期，均可作为步行周期的开始时刻，步行曲线可以是主动腿的各关节的角度随时间的变化曲线。
采用上述技术方案，即可实现两腿的同步。
在一些实施例中，用于控制外骨骼机器人的装置包括处理器和存储有程序指令的存储器，处理器被配置为在执行程序指令时，执行前述实施例提供的用于控制外骨骼机器人的方法。
图4是本公开实施例提供的一种用于控制外骨骼机器人的装置的示意图。结合图4所示，用于控制外骨骼机器人的装置包括：
处理器(processor)41和存储器(memory)42，还可以包括通信接口(Communication Interface)43和总线44。其中，处理器41、通信接口43、存储器42可以通过总线44完成相互间的通信。通信接口43可以用于信息传输。处理器41可以调用存储器42中的逻辑指令，以执行前述实施例提供的用于控制外骨骼机器人的方法。
此外，上述的存储器42中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
存储器42作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序，如本公开实施例中的方法对应的程序指令/模块。处理器41通过运行存储在存储器42中的软件程序、指令以及模块，从而执行功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。
存储器42可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储器42可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器。
本公开实施例提供了一种外骨骼机器人，包含前述实施例提供的用于控制外骨骼机器人的装置。
本公开实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令设置为执行前述实施例提供的用于控制外骨骼机器人的方法。
本公开实施例提供了一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，使计算机执行前述实施例提供的用于控制外骨骼机器人的方法。
上述的计算机可读存储介质可以是暂态计算机可读存储介质，也可以是非暂态计算机可读存储介质。
本公开实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括一个或一个以上指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本公开实施例中方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质可以是非暂态存储介质，包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机读取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等多种可以存储程序代码的介质，也可以是暂态存储介质。
以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。而且，本申请中使用的用词仅用于描述实施例并且不用于限制权利要求。如在实施例以及权利要求的描述中使用的，除非上下文清楚地表明，否则单数形式的“一个”(a)、“一个”(an)和“所述”(the)旨在同样包括复数形式。另外，当用于本申请中时，术语“包括”(comprise)及其变型“包括”(comprises)和/或包括(comprising)等指陈述的特征、整体、步骤、操作、元素，和/或组件的存在，但不排除一个或一个以上其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或这些的分组的存在或添加。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。本文中，每个实施例重点说明的可以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可以互相参见。对于实施例公开的方法、产品等而言，如果其与实施例公开的方法部分相对应，那么相关之处可以参见方法部分的描述。
本领域技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，可以取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法以实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开实施例的范围。技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本文所披露的实施例中，所揭露的方法、产品(包括但不限于装置、设备等)，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，可以仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例。另外，在本公开实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
附图中的流程图和框图显示了根据本公开实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或一个以上用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以依所涉及的功能而定。框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

Claims (10)

1.一种用于控制外骨骼机器人的方法，其特征在于，包括：
获得设定负重系数；
根据外骨骼机器人的关节的角度确定所述外骨骼机器人的关节的初始重力矩补偿值；
通过所述设定负重系数对所述初始重力矩补偿值进行调整，获得调整重力矩补偿值；
根据所述调整重力矩补偿值对所述外骨骼机器人的关节进行控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据外骨骼机器人的关节的角度确定所述外骨骼机器人的关节的初始重力矩补偿值，包括：
获得外骨骼机器人的大腿连杆相对于竖直方向的第一角度，以及所述外骨骼机器人的小腿连杆相对于所述大腿连杆延长线的第二角度；
获得所述第一角度的第一正弦值，以及所述第二角度与所述第一角度的差值的第二正弦值；
在所述外骨骼机器人的关节为髋关节的情况下，获得所述第一正弦值和第一设定参数的第一乘积，以及所述第二正弦值与第二设定参数的第二乘积；根据所述第一乘积和所述第二乘积的第一和确定所述髋关节的第一初始重力矩补偿值；
在所述外骨骼机器人的关节为膝关节的情况下，获得所述第一正弦值和第三设定参数的第三乘积，以及所述第二正弦值与第四设定参数的第四乘积；根据所述第三乘积和所述第四乘积的第二和确定所述膝关节的第二初始重力矩补偿值；
其中，所述第一设定系数与所述大腿连杆、所述小腿连杆的质量正相关；所述第二设定系数与所述小腿连杆的质量正相关，所述第三设定系数与所述大腿连杆、所述小腿连杆的质量正相关，所述第四设定参数与所述小腿连杆的质量正相关。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述设定负重系数对所述初始重力矩补偿值进行调整，获得调整重力矩补偿值，包括：
将所述设定负重系数与所述初始重力矩补偿值的乘积，确定为所述调整重力矩补偿值。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，根据所述调整重力矩补偿值对所述外骨骼机器人的关节进行控制，包括：
将所述调整重力矩补偿值补偿至所述外骨骼机器人的关节的执行机构；
获得所述初始重力矩补偿值与所述调整重力矩补偿值的重力矩补偿差值；
获得所述外骨骼机器人的关节对应的外力矩；
根据力矩与角度的对应关系，获得所述外力矩和所述重力矩补偿差值的合力矩相对应的期望角度，根据所述期望角度对所述外骨骼机器人的关节进行控制。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，获得所述外骨骼机器人的关节对应的外力矩，包括：
获得所述外骨骼机器人的大腿连杆所受的第一外力，以及所述外骨骼机器人的小腿连杆所受的第二外力；
根据所述第一外力和所述第二外力确定所述外骨骼机器人的大腿连杆对应的第一外力矩，以及所述外骨骼机器人的小腿连杆对应的第二外力矩。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述第一外力和所述第二外力确定所述外骨骼机器人的大腿连杆对应的第一外力矩，以及所述外骨骼机器人的小腿连杆对应的第二外力矩，包括：
获得所述第一外力与第五设定参数的第五乘积，以及所述第二外力与第六设定参数的第六乘积，将所述第五乘积和所述第六乘积的第三和，确定为所述外骨骼机器人的大腿连杆所受的第一外力矩；
获得所述第二外力与第六设定参数的第七乘积，以及所述第二外力与第八设定参数的第八乘积，将所述第七乘积和所述第八乘积的第四和，确定为所述外骨骼机器人的小腿连杆所受的第二外力矩；
其中，所述第五设定参数与所述大腿连杆的长度正相关，所述第六设定参数与所述小腿连杆的长度正相关，所述第七设定参数与所述大腿连杆的长度正相关，所述第八设定参数与所述小腿连杆的长度正相关。
7.一种用于控制外骨骼机器人的方法，其特征在于，所述外骨骼机器人包括主动腿和被动腿，所述方法包括：
获得设定负重系数；
根据所述主动腿的关节的角度确定所述外骨骼机器人的关节的重力矩补偿值；
通过所述设定负重系数对所述重力矩补偿值进行调整，获得调整重力矩补偿值；
根据所述调整重力矩补偿值对所述主动腿的关节进行控制，并获得所述主动腿的步态参数；
根据所述主动腿的步态参数对所述被动腿进行控制，使所述被动腿按照所述步态参数运动。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步态参数包括步行周期，获得所述主动腿的步态参数，包括：
获得所述主动腿的髋关节的角度以及角速度上次满足步行周期中特定时期的表示条件的第一时刻；
获得所述主动腿的髋关节的角度以及角速度本次满足步行周期中特定时期的表示条件的第二时刻；
将所述第二时刻与所述第一时刻之间的时长确定为所述步行周期。
9.一种用于控制外骨骼机器人的装置，包括处理器和存储有程序指令的存储器，其特征在于，所述处理器被配置为在执行所述程序指令时，执行如权利要求1至8任一项所述的用于控制外骨骼机器人的方法。
10.一种外骨骼机器人，其特征在于，包括如权利要求9所述的用于控制外骨骼机器人的装置。
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