[发明专利]基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制的方法

权利要求书

1.一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

建立外骨骼机器人的腿部运动学模型，所述腿部包括第一腿和第二腿；

在所述腿部运动学模型的基础上，设计支撑阶段的外骨骼机器人的支撑运动控制器模型；

在所述腿部运动学模型的基础上，设计摆动阶段的外骨骼机器人的摆动运动控制器模型；

根据所述第一腿和第二腿所处阶段的不同，分别采用支撑运动控制器模型或者摆动运动控制器模型相应地控制第一腿的运动或第二腿的运动；

所述支撑运动控制器模型为在支撑阶段中外骨骼机器人的腿部关节的支撑期望角速度，所述支撑期望角速度的表达式如下式所示：

其中，θ_Z为外骨骼机器人的腿部关节的支撑期望角速度；τ_h为外骨骼机器人的髋关节和膝关节所承受的人与外骨骼机器人之间的交互力矩；J为雅可比矩阵，由腿部运动学模型推导获得；A₀为外骨骼机器人的踝关节在支撑阶段时的参考坐标；A为外骨骼机器人的踝关节当前期望的速度；K₁是用于调节踝关节偏离参考姿态时所受回复力大小的刚性系数；K₂是用于调节踝关节当前期望速度大小的弹性系数；

所述摆动运动控制器模型为在摆动阶段中外骨骼机器人的腿部关节的摆动期望角速度，所述摆动期望角速度的表达式如下式所示：

其中，θ_B为外骨骼机器人的腿部关节的摆动期望角速度；τ_h为外骨骼机器人的髋关节和膝关节所承受的人与外骨骼机器人之间的交互力矩；J为雅可比矩阵，由腿部运动学模型推导获得；A_r为外骨骼机器人的踝关节在摆动阶段时的参考坐标；A为外骨骼机器人的踝关节当前期望的速度；K₁是用于调节踝关节偏离参考姿态时所受回复力大小的刚性系数；K₂是用于调节踝关节当前期望速度大小的弹性系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述第一腿的腿部运动学模型和第二腿的腿部运动学模型相同。

3.根据权利要求1所述的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述第一腿处于支撑阶段时，采用支撑运动控制器模型控制第一腿的运动；所述第二腿处于摆动阶段时，采用摆动运动控制器模型控制第二腿的运动。

4.根据权利要求1所述的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述第一腿处于摆动阶段时，采用摆动运动控制器模型控制第一腿的运动；所述第二腿处于支撑阶段时，采用支撑运动控制器模型控制第二腿的运动。

5.根据权利要求1所述的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述腿部运动学模型为外骨骼机器人的踝关节末端速度与各关节角速度的关系，所述关系表达式如下式所示：

其中，A_y＝L_usin(θ₁)+L_dsin(θ₁-θ₂)，A_z＝-L_ucos(θ₁)-L_dcos(θ₁-θ₂)，A_y表示踝关节在Y轴上的坐标，A_z表示踝关节在Z轴上的坐标，L_u为外骨骼机器人的大腿长度，L_d为外骨骼机器人的小腿长度，θ₁为外骨骼机器人的髋关节向前抬腿的旋转角度，θ₂为外骨骼机器人的膝关节弯曲的角度。