[发明专利]用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法

权利要求书

1.一种用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、从数据库中提取样本信息，分析样本的特征信息，构建外层控制结构，并输出在关节相空间下的外骨骼机器人参考步态轨迹，具体包括以下子步骤：

S11、设置外骨骼机器人的初始参考步态轨迹，并采集外骨骼机器人与样本的交互力矩，包括以下子步骤：

S111、分析样本的客观生理特征并结合训练目标，设置外骨骼机器人初始参考步态轨迹，通过选择轨迹参数a_i、c_i、d_i对外骨骼机器人初始参考步态轨迹进行参数化，具体表达式如下：

其中，为符合目标客观生理特征的外骨骼机器人初始参考步态轨迹，表示一个完整运动周期内各关节角度随时间的变化，参数a_i表示缩放轨迹振幅，参数c_i能改变并影响目标运动的周期，参数d_i改变外骨骼机器人各关节屈曲和伸展的量，i＝1表示外骨骼机器人第一关节，i＝2表示外骨骼机器人第二关节，t为时间；

S112、在一个完整运动周期内，采集外骨骼机器人与样本的交互力矩，并存储；

S12、基于步骤S11得到的外骨骼机器人初始参考步态轨迹，对外骨骼机器人初始参考步态轨迹进行修正，并输出关节相空间的外骨骼机器人参考步态轨迹，其包括以下子步骤：

S121、根据外骨骼机器人的结构，利用拉格朗日法推导出外骨骼机器人的动力学模型；

S122、根据外骨骼机器人与样本交互的阻抗参数K_P和K_D，并结合步骤S112得到的交互力矩，计算在一个完整运动周期内，外骨骼机器人在各采样时刻的瞬时参考关节角度的修正量Δq和修正后的瞬时参考关节角度q_REF,NEW；

S123、基于步骤S122得到的瞬时参考关节角度q_REF,NEW构建代价函数，通过最速下降法最小化代价函数，拟合出修正后的外骨骼机器人参考步态轨迹其中，t为时间，i为外骨骼机器人的第i关节；

S124、对步骤S123得到的参考步态轨迹进行联合处理，输出关节相空间的外骨骼机器人参考步态轨迹其中hip表示外骨骼机器人的第一关节角度，knee表示外骨骼机器人的第二关节角度；

S13、重置外骨骼机器人初始参考步态轨迹并周期性地更新外层控制结构的输出；

S2、基于步骤S1获得的关节相空间外骨骼机器人参考步态轨迹，构建内层控制结构，输出外骨骼机器人关节速度参考量，具体包括以下子步骤：

S21、通过关节处的绝对值编码器实时采集外骨骼机器人的关节角度、关节速度和关节加速度的数值；

S22、基于步骤S21采集的关节角度和步骤S125得到的关节相空间下的外骨骼机器人参考步态轨迹确定内层控制结构，包括以下子步骤：

S221、将任一时刻样本关节角度映射为关节相空间内一瞬时实际矢量点，并通过几何分析找出最接近瞬时实际矢量点的瞬时目标矢量点；

S222、将瞬时目标矢量点的法线方向作为调整方向将瞬时目标矢量点的切向方向作为跟踪方向再根据训练目标选取控制参数λ、k，计算得到速度合成矢量具体表达式如下：

其中，λ和k为内层控制结构参数，分别用来调整关节速度参考量的大小和方向，和分别为跟踪方向和调整方向，为瞬时参考矢量点与瞬时目标矢量点之间的距离范数；

S3、基于步骤S2内层控制结构得到的关节速度参考量，对外骨骼机器人的关节电机进行速度控制。

2.根据权利要求1所述的用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法，其特征在于，在所述步骤S111中，通过改变参数a_i、c_i、d_i，能够产生不同的外骨骼关节初始参考步态轨迹曲线。