[发明专利]一种人机耦合重载携行系统装置及其控制方法

摘要

本发明涉及一种人机耦合重载携行系统装置及其控制方法，其特征在于：在人体足底、重载携行系统刚肢体的膝关节安放压力和角度传感器实时感知人体和重载携行系统刚肢体的运动信息和力信息，为人机耦合控制提供了实时准确的信息；采用人机耦合智能控制方法，根据不同的步态采用不同的控制算法，对执行装置进行位置反馈控制和力反馈控制，将传感器感知的人体运动信息和力信息，进行滤波和融合处理，转换为控制参数，控制执行器实时随动输出合适的力，实时跟踪人体运动并为人体运动提供高效合适的助力；采用气体蓄能密闭腔执行器装置，实现了液压缸回程运动的助力效果，从而提升了人机耦合运动的柔顺性和舒适性。

主权项

一种人机耦合重载携行系统的装置，包括与人体下部肢体对应耦合的刚肢体，所述刚肢体包括两组小腿零件和大腿零件，连接在所述小腿零件与所述大腿零件之间的两个膝关节和执行器，连接在所述小腿零件底部的两只传感靴，设置在两所述大腿零件上部且位于人体背部的背架，以及控制系统和供电电源；其特征在于：每一所述执行器包括一液压缸，所述液压缸连接在所述大腿零件的中部，且通过油管依次连接伺服阀、电液换向阀、油箱和油泵，所述油箱和油泵设置在所述背架下部；所述液压缸的活塞杆连接所述小腿零件的中部，所述活塞杆的内端设置有一圈将所述液压缸分隔成一液压腔和一气体蓄能腔的凸缘；所述控制系统包括设置在两所述传感靴内的两组足底压力传感器，设置在两所述膝关节处的两膝关节角度传感器，设置在所述背架上控制板卡中的步态判断模块、执行器位置计算模块、控制器模块、放大器模块、液压调节模块、执行器等效模块、支撑负重补偿模块和两加法器；所述步态判断模块将得到的足底压力传感器信号与其内预置的给定阈值进行比较和判断；所述执行器位置计算模块将得到的膝关节传感器输出的膝关节角度变化值θ和其内预置的活塞杆位置Y与膝关节角度变化值θ的关系式，计算活塞杆位置Y；所述控制器模块通过其内预置的PID控制器的数学模型表达式GPID，将其得到的偏差值转换为电压控制信号Uctrl，并将其输出给所述放大器模块；所述放大器模块通过其内预置的关系式Ka将输入的电压控制信号Uctrl转换为伺服电流量I，并将其输出给所述液压调节模块；所述液压调节模块通过其内预置的关系式Gsv将输入的伺服电流量I转换为伺服阀阀门的开度大小xv，并将其输出给所述执行器等效模块，所述执行器等效模块通过其内预置的等效数学模型表达式Geq，将伺服阀阀门的开度大小xv和所述支撑负重补偿模块反馈回来的支撑负重补偿力Fcomp，转换为所述活塞杆应该输出的位置Yneed，所述支撑负重补偿模块通过其内部预置的等效数学模型Gcomp将活塞杆应该输出的位置Yneed转换为所述活塞杆应该输出的支撑负重补偿力Fcomp，并将其再反馈回所述执行器等效模块。