[发明专利]一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法。

背景技术

军队士兵经常需要背负重物进行长距离行走或作战，过重的负载常会对士兵身体造成一定的伤害，在这种背景下，需要开发一款能在战场环境中增强士兵速度、力量以及耐力的外骨骼装备；在科考、消防营救等领域，科考人员及消防营救人员常常需要长距离行走、背负重物、运送伤员、野外作战、登山探险等，传统的轮式交通工具难以在这些特殊场合发挥作用。除此之外，外骨骼也可以被用于仓库的货物装卸，以减轻搬运工人的劳动强度。外骨骼与人的组合能适应非结构化的环境，拥有极好的灵活性，可以完成一些复杂的装卸的工作，如为战斗机装卸导弹等，这是其他的装卸设备难以比拟的。外骨骼在这些领域的应用将对这些领域起到非常积极的作用。另外，老龄化正在全球蔓延，外骨骼的出现不仅可以帮助一些老年人解决体力较差、行走不变的问题，也可以帮助一些丧失行动能力的人恢复部分的行动能力。助力外骨骼的特点是要求在非结构环境下与穿戴者进行协作，这要求研究人员需要解决非结构性环境下高度协调的人机一体化问题，包括有效、可靠的人机间交互问题，对人体运动意图的快速响应问题，轻便、灵活的仿生结构设计，人机系统的安全性问题等，这些技术问题还处于初级摸索阶段，并不成熟，还需要进行深入的研究。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，该方法在人机间交互问题上有效、可靠，并具有对人体运动意图快速响应的特点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，所述可穿戴式助力外骨骼下肢机构包括：腰部、左腿、右腿、液压伺服驱动系统、实时控制器、电源模块；其中，所述左腿和右腿分别与腰部铰接，并对称设置在腰部两侧；液压伺服驱动系统分别与左腿和右腿相连，并对其进行控制；液压伺服驱动系统与实时控制器相连；电源模块对液压伺服驱动系统供电；

所述腰部包括：倾角传感器、负重板、两个底板、第二连接板、第一多维力传感器、腰部绑带等；其中，两个底板分别安装在负重板的两侧；倾角传感器固定联接在负重板上；第二连接板固定联接在负重板上；第一多维力传感器固定连接在第二连接板上；腰部绑带固定连接在第一多维力传感器上；

所述液压伺服驱动系统包括：蓄能器、第一电液伺服阀、第二电液伺服阀、配油盘(19)、伺服阀放大板、液压泵站等；其中，蓄能器固定联接在第一连接板上；第一电液伺服阀、第二电液伺服阀均与配油盘固定联接；配油盘与第一连接板固定联接；蓄能器和配油盘的进油口均与液压泵站出油口连接；第一电液伺服阀的进油口、第二电液伺服阀的进油口均与配油盘进油口相连，第一电液伺服阀的出油口与配油盘的第一出油口相连，第二电液伺服阀的出油口与配油盘的第二出油口相连；伺服阀放大板与底板固定连接，一方面用于放大实时控制器输出的控制信号的功率，另一方面将实时控制器的电压信号转化为电流信号；

第二多维力传感器固定连接在左右腿的小腿上；髋关节旋转编码器和膝关节旋转编码器分别设置在髋关节和膝关节处；脚底压力传感器设置在脚底板上；

该方法包括如下步骤：

(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；同时，初始化第一多维力传感器、第二多维力传感器、髋关节旋转编码器和膝关节旋转编码器；

(2)实时控制器的数据采集模块检测到脚底压力传感器传来的信号，根据一条腿是否接触地面的情况，判断助力外骨骼下肢机构处于摆动状态或支撑状态；

(3)如果助力外骨骼下肢机构处于支撑状态，选择采集腰部上的第一多维力传感器的信号；如果助力外骨骼下肢机构处于摆动状态，选择采集小腿上的第二多维力传感器的信号；

(4)通过实时控制器的运算与通信模块将第一多维力传感器或第二多维力传感器接触点的力F转换为该点期望的速度v；

v＝K_vF

其中：

F为第一多维力传感器或第二多维力传感器上测得的人‐机之间的作用力，设F_x为x轴的作用力，F_y为y轴的作用力，M_z为z轴的力矩；