[发明专利]一种用于外骨骼系统行走状态的控制方法

说明书

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，涉及一种用于外骨骼系统行走状态的控制方法。

背景技术

在抢险救灾或山地环境中，人们往往需要携带大量的装备和物资，这样会影响行进速度、行走距离和机动能力，因此，各国正在加速研制符合人体工程学的外骨骼携行助力系统，以实现减少体能消耗，提高负重能力和机动能力。目前的助力外骨骼系统主要的控制方法为采用液压控制系统，并结合PID控制方法进行控制，PID控制方法需要先给出控制参数，目前常用的PID控制通常采用一个参数从头到尾全程控制外骨骼系统的方法，但是实际上人在行走的过程中，在发生位移的同时还会带动重心的变动，如果全程均由相同的控制参数进行控制，会导致外骨骼系统的行动显得僵硬，不符合正常人体行走的特征。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提供一种用于外骨骼系统行走状态的控制方法。

本发明的技术方案为：一种用于外骨骼系统行走状态的控制方法，包括外骨骼系统，所述外骨骼系统的动力源为由伺服阀控制的液压缸；所述外骨骼系统至少还包括位于足底的压力传感器、位于膝关节处的角度传感器和位于腿部的惯性传感器；则所述的控制方法包括以下步骤：

a.将外骨骼系统在行走状态下的步态具体划分为5个连续的步态：收腿、预支撑、触地、动态支撑和稳态支撑；其中，稳定支撑状态既是行走步态的最后一个步态，也是行走步态的初始步态；在稳态支撑时，液压缸支撑全部的负重；当外骨骼系统开始行走时，进入步骤b；

b.收腿步态下，伺服阀全开，外骨骼系统带动人体进行收腿，收腿动作结束后进入步骤c；

c.预支撑步态下，伺服阀的控制电流通过如下公式1计算：

其中，I_ctrl为伺服阀控制输入电流，Y_exp表示液压缸的期望长度，Y表示液压缸的实际长度，s为单位秒；Y_exp可通过如下公式2计算：

θ_k表示角度传感器测量获得的膝关节角度；Dist1表示液压缸大腿连接点至膝关节轴承距离；Dist2表示液压缸小腿连接点至膝关节轴承距离；

预支撑动作结束后进入步骤d；

d.触地步态下，伺服阀的控制电流通过如下公式3计算：

其中，I_ctrl为伺服阀控制输入电流，Y_exp表示液压缸的期望长度，Y表示液压缸的实际长度，s为单位秒；Y_exp可通过如下公式2计算：

θ_k表示角度传感器测量获得的膝关节角度；Dist1表示液压缸大腿连接点至膝关节轴承距离；Dist2表示液压缸小腿连接点至膝关节轴承距离；

触地动作结束后进入步骤e；

e.动态支撑步骤下，伺服阀的控制电流通过如下公式4计算：

其中，I_ctrl为伺服阀控制输入电流，Y_exp表示液压缸的期望长度，Y表示液压缸的实际长度，s为单位秒；Y_exp可通过如下公式2计算：

θ_k表示角度传感器测量获得的膝关节角度；Dist1表示液压缸大腿连接点至膝关节轴承距离；Dist2表示液压缸小腿连接点至膝关节轴承距离；

动态支撑动作结束后进入稳态支撑，外骨骼系统完成一个步态的行走控制。

本发明的有益效果为，通过对行走步态的划分，将传统的单一参数全程控制的方式改进为多个参数共同参与控制的方式，使得外骨骼系统的移动变得柔顺，更加符合人体自然的运行形态。

附图说明

图1是本发明的行走步态划分示意图；

图2是预支撑步态的控制拟合曲线示意图；

图3是预支撑步态的液压缸长度仿真曲线示意图；

图4是触地步态的控制拟合曲线示意图；

图5是触地步态的液压缸长度仿真曲线示意图；

图6是动态支撑步态的控制拟合曲线示意图；

图7是动态支撑步态的液压缸长度仿真曲线示意图；

图8是动态支撑步态的液压缸垂直力仿真曲线示意图；

图9是平地行走液压缸长度整体仿真曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：