[发明专利]一种人机耦合重载携行系统装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种携行系统装置及其控制方法，特别是关于一种人机耦合重载携行系统装置及其控制方法。

背景技术

在远途跋涉中，人自身需要携带的装备和物资越来越多，这样会影响人的行进速度、行走距离和机动能力，常常使人精神疲惫或身体受伤。在采用传统的机器人控制技术进行人体携行负荷运动助力时，携行助力系统难以满足人体负载条件下控制的实时性、准确性和人机协同运动柔顺性，特别是在重载条件下，当人体进行快速行走、跑步、跨跳等剧烈运动时，这些传统的装置及其控制方法会对人的运动造成一定的阻碍，影响运动协同性。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够提升重载携行系统感知控制的实时性、准确性和人机协同运动柔顺性的人机耦合重载携行系统装置及其控制方法。

实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种人机耦合重载携行系统的装置，它包括与人体下部肢体对应耦合的刚肢体，刚肢体包括两组小腿零件和大腿零件，连接在小腿零件与大腿零件之间的两个膝关节和执行器，连接在小腿零件底部的两只传感靴，设置在两大腿零件上部且位于人体背部的背架，以及控制系统和供电电源；其特征在于：每一执行器包括一液压缸，液压缸连接在大腿零件的中部，且通过油管依次连接伺服阀、电液换向阀、油箱和油泵，油箱和油泵设置在背架下部；液压缸的活塞杆连接小腿零件的中部，活塞杆的内端设置有一圈将液压缸分隔成一液压腔和一气体蓄能腔的凸缘；控制系统包括设置在两传感靴内的两组足底压力传感器，设置在两膝关节处的两膝关节角度传感器，设置在背架上控制板卡中的步态判断模块、执行器位置计算模块、控制器模块、放大器模块、液压调节模块、执行器等效模块、支撑负重补偿模块和两加法器；步态判断模块将得到的足底压力传感器信号与其内预置的给定阈值进行比较和判断；执行器位置计算模块将得到的膝关节传感器输出的膝关节角度变化值θ和其内预置的活塞杆位置Y与膝关节角度变化值θ的关系式，计算活塞杆位置Y；控制器模块通过其内预置的PID控制器的数学模型表达式G_PID，将其得到的偏差值转换为电压控制信号U_ctrl，并将其输出给放大器模块；放大器模块通过其内预置的关系式K_a将输入的电压控制信号U_ctrl转换为伺服电流量I，并将其输出给液压调节模块；液压调节模块通过其内预置的关系式G_sv将输入的伺服电流量I转换为伺服阀阀门的开度大小x_v，并将其输出给执行器等效模块，执行器等效模块通过其内预置的等效数学模型表达式G_eq，将伺服阀阀门的开度大小x_v和支撑负重补偿模块反馈回来的支撑负重补偿力F_comp，转换为活塞杆应该输出的位置Y_need，支撑负重补偿模块通过其内部预置的等效数学模型G_comp将活塞杆应该输出的位置Y_need转换为活塞杆应该输出的支撑负重补偿力F_comp，并将其再反馈回执行器等效模块。

一组所述足底压力传感器为两个，分别放置在与人体前脚掌和后脚跟接触的部位，足底压力传感器输出电压信号。

所述控制器模块中预置的PID控制器的数学模型表达式G_PID为：

G_PID＝K_P+T_Ds+T_I/s

式中：K_P为比例系数，T_D为微分系数，T_I为积分系数。

所述控制器模块中预置的PID控制器的数学模型表达式G_PID为：

G_PID＝K_P+T_Ds+T_I/s

式中：K_P为比例系数，T_D为微分系数，T_I为积分系数。

所述执行器位置计算模块内预置的活塞杆位置Y与膝关节角度变化值θ的关系式为：