[发明专利]基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统

说明书

本发明提供了一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，包括参考轨迹规划器、线性二次高斯控制器；参考轨迹规划器通过脚步规划器获得下肢外骨骼机器人的实际参数，再利用零动量点规划器根据步伐生成零动量点轨迹，接下来基于线性倒立摆模型计算出质心轨迹，最后基于发散运动分量理论控制质心运动中的发散运动分量，获得机器人前馈步行的参考轨迹；线性二次高斯控制器基于发散运动分量，实现在不确定情况下稳健地跟踪参考轨迹，并且实现在存在过程干扰和测量噪声的情况下也具有鲁棒性。本发明设计了的基于发散运动分量的参考轨迹规划器，在质心规划器的基础上引入发散运动分量规划器，将矢状面和冠状面的运动解耦简化了脚步规划的复杂度。

技术领域

本发明涉及医疗器械和康复辅助器具领域，具体地，涉及一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统。

背景技术

下肢外骨骼机器人的行走性能有了很大的提高，但仍远未达到预期。尽管许多下肢外骨骼机器人能够在平坦地形(或已知几何结构的不平地形)上行走，但只有少数机器人能够补偿严重干扰或在崎岖地形上行走。下肢外骨骼机器人有一个独特的特性，即在运动学和动力学上与人相似。根据这一特性，它们能够适应我们人类的日常生活环境，人类希望它们能够走出实验室，完成日常生活任务，并与它们精确、安全地协作。下肢外骨骼机器人在动态环境中工作的关键要求是能够在行走时对未知干扰做出稳健反应。目前，在开发鲁棒步行引擎方面的研究越来越多，可分为两大类：基于模型的和无模型的。在基于模型的方法中，考虑了系统动力学的物理模型，并基于该模型设计了步行系统。无模型方法试图通过在没有任何动力学模型的情况下为每个肢体生成有节奏的运动来设计步行系统。本发明是基于模型的方法。

虽然考虑下肢外骨骼机器人的全刚体动力学不是不可能的，但由于要处理复杂的动力学问题，通常在求解高度非线性以及大尺寸问题时，计算量大，求解时间长。因此，考虑全身动力学模型对于实时实现来说是负担不起的。相反，为了降低规划过程的计算成本和复杂性，整体动力学仅限于质心。线性倒立摆模型以其在实时求解的快速和高效率闻名，该模型仅通过考虑单个质量来近似下肢外骨骼机器人的动力学，该质量被限制沿水平定义的平面移动，并通过无质量杆连接到地面。基于这些假设，存在一个简单的解决方案，根据一组规划的足迹生成参考质心轨迹。

专利文献CN110286679A公开了一种基于线性倒立摆模型的机器人步态规划方法，具体是基于线性倒立摆模型生成零力矩点轨迹、躯干质心运动轨迹和游动脚规划轨迹，并由逆运动学解算各个关节步态运动曲线，以寻求更符合人型机器人实际质量分布情况，但是仍然缺乏对运动中的发散分量的精准控制，而在实际应用中难以取得预期效果。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，根据仿人机器人运动的最新进展基于将质心动力学解耦为发散和收敛组件，只要控制运动的发散分量，就可以发展出鲁棒稳定的步行。

根据本发明提供的一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，包括参考轨迹规划器、线性二次高斯控制器；

所述参考轨迹规划器包括脚步规划器、零动量点规划器、质心规划器、发散运动分量规划器；

所述参考轨迹规划器通过脚步规划器获得下肢外骨骼机器人的实际参数，再利用零动量点规划器根据步伐生成零动量点轨迹，接下来基于线性倒立摆模型计算出质心轨迹，最后基于发散运动分量理论控制质心运动中的发散运动分量，获得机器人前馈步行的参考轨迹；

所述线性二次高斯控制器基于所述发散运动分量，实现在不确定情况下稳健地跟踪所述参考轨迹，并且实现在存在过程干扰和测量噪声的情况下也具有鲁棒性。

进一步地，所述线性二次高斯控制器使用了发散运动分量的概念，通过将矢状面和冠状面的运动解耦简化了脚步规划的复杂度。

进一步地，所述线性二次高斯控制器包括卡尔曼滤波器、积分器；