[发明专利]一种应用于运动辅助型外骨骼的合力场控制方法及装置

说明书

本发明涉及一种应用于运动辅助型外骨骼的合力场控制方法及装置，属于外骨骼技术领域，方法包括，根据获取的外骨骼给定位置运动轨迹和当前位置，计算当前位置和期望位置的位置误差；建立可视化合力场模型，依据所述位置误差，合力场产生纠正位置误差的力分量和牵拉外骨骼末端运动的力分量；进行合力场输出力控制，输出助力辅助外骨骼运动。本发明可应用于康复外骨骼、助力增强型外骨骼等系统，具有算法简单、安全性高等优点。

技术领域

本发明涉及外骨骼技术领域，尤其是一种应用于运动辅助型外骨骼的合力场控制方法及装置。

背景技术

外骨骼机器人是一种可穿戴式的助力装备(提供力学辅助)。

目前，国内外的各类外骨骼机器人既有应用基于运动学/动力学传感信息的控制算法，例如广泛应用于机器人系统的PID控制、计算力矩控制、导纳控制和阻抗控制等方法，并根据系统具体特点做部分改进，融合例如神经网络控制、模糊控制等；还有一部分外骨骼机器人采用基于生物电信息的控制算法，但目前生物电信息更多地用于定性地应用于触发式控制，而生物电信息解码由于准确度不高，其用于过程控制并不可靠。因此，外骨骼主流做法还是基于运动学/动力学信号反馈的控制方法，核心的理念依然是实现基于人机友好交互地动力学控制策略。

从外骨骼的应用角度讲，外骨骼控制算法的设计不是着眼于高精度的轨迹运动控制而是强调人机动力交互性能，使外骨骼能够稳定地按需辅助肢体的运动。从这个角度来讲，常用的机器人控制方法用于运动辅助型外骨骼并不完全切合其控制目标。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种应用于运动辅助型外骨骼的合力场控制方法及装置，对外骨骼的运动辅助力进行规划，使外骨骼辅助人实现运动，同时提高外骨骼控制算法的响应速度。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种面向运动辅助型外骨骼的合力场控制方法，包括如下步骤：

根据获取的外骨骼给定位置运动轨迹和当前位置，计算当前位置和期望位置的位置误差；

建立可视化合力场模型，依据所述位置误差，利用合力场模型产生纠正位置误差的力分量和牵拉所述外骨骼末端运动的力分量；

进行合力场输出力控制，输出助力辅助外骨骼运动。

进一步地，所述当前位置和期望位置的位置误差d_i＝Δp_i＝|p_i-p′_i|，式中，当前位置p′_i为外骨骼末端位置，期望位置p_i为所述外骨骼给定位置运动轨迹上距离当前位置p′_i最近点的位置。

进一步地，所述建立的可视化合力场模型为沿着所述给定位置运动轨迹的截面为圆形的管体空间。

进一步地，所述合力场模型输出力包括法向力f_n和切向力f_t；

所述法向力f_n为纠正位置误差的力分量，方向沿轨迹线的法向方向用于纠正外骨骼的位置运动误差，控制外骨骼的位置运动不偏离期望轨迹；

所述切向力f_t为牵拉所述外骨骼末端运动的力分量，方向沿轨迹线的切向方向用于牵拉所述外骨骼末端运动，使外骨骼沿期望位置轨迹而运动。

进一步地，所述法向力f_n和切向力f_t表示为