[发明专利]一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法

摘要

本发明公开了一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，该方法首先通过实时控制器检测到脚底压力传感器信号，并判断助力外骨骼下肢机构是处于摆动还是支撑状态，根据所处的状态选择采集腰部上或小腿上的多维力传感器的信号；实时控制器将多维力传感器接触点的力转换为该点期望的速度，通过运算进而得出髋关节和膝关节的期望角度；实时控制器通过采集运算旋转编码器的角度信息，输出控制电液伺服阀的电压信号；伺服阀放大板将该电压信号转化为电液伺服阀的电流信号；电液伺服阀根据电流信号的大小，实现对流入液压缸流量的控制，进而实现液压缸活塞位置的控制；本发明在人机间交互问题上有效、可靠，并具有对人体运动意图快速响应的特点。

主权项

一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法，其特征在于，所述可穿戴式助力外骨骼下肢机构包括：腰部(1)、左腿、右腿、液压伺服驱动系统(2)、实时控制器、电源模块；其中，所述左腿和右腿分别与腰部(1)铰接，并对称设置在腰部(1)两侧；液压伺服驱动系统(2)分别与左腿和右腿相连，并对左腿和右腿进行控制；液压伺服驱动系统(2)与实时控制器相连；电源模块对液压伺服驱动系统(2)供电；所述腰部(1)包括：倾角传感器(10)、负重板(11)、两个底板(12)、第二连接板(13)、第一多维力传感器(14)、腰部绑带(15)；其中，两个底板(12)分别安装在负重板(11)的两侧；倾角传感器(10)固定联接在负重板(11)上；第二连接板(13)固定联接在负重板(11)上；第一多维力传感器(14)固定连接在第二连接板(13)上；腰部绑带(15)固定连接在第一多维力传感器(14)上；所述液压伺服驱动系统(2)包括：蓄能器(16)、第一电液伺服阀(17)、第二电液伺服阀(18)、配油盘(19)、伺服阀放大板(36)、液压泵站；其中，蓄能器(16)固定联接在第一连接板(9)上；第一电液伺服阀(17)、第二电液伺服阀(18)均与配油盘(19)固定联接；配油盘(19)与第一连接板(9)固定联接；蓄能器(16)和配油盘(19)的进油口均与液压泵站出油口连接；第一电液伺服阀(17)的进油口、第二电液伺服阀(18)的进油口均与配油盘(19)进油口相连，第一电液伺服阀(17)的出油口与配油盘(19)的第一出油口相连，第二电液伺服阀(18)的出油口与配油盘(19)的第二出油口相连；伺服阀放大板(36)与其中一个底板(12)固定连接，一方面用于放大实时控制器输出的控制信号的功率，另一方面将实时控制器的电压信号转化为电流信号；第二多维力传感器(34)固定连接在左腿和右腿的小腿上；髋关节旋转编码器(23)和膝关节旋转编码器(32)分别设置在髋关节和膝关节处；脚底压力传感器(42)设置在脚底板上；该方法包括如下步骤：(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；同时，初始化第一多维力传感器(14)、第二多维力传感器(34)、髋关节旋转编码器(23)和膝关节旋转编码器(32)；(2)实时控制器的数据采集模块检测到脚底压力传感器(42)传来的信号，根据一条腿是否接触地面的情况，判断助力外骨骼下肢机构处于摆动状态或支撑状态；(3)如果助力外骨骼下肢机构处于支撑状态，选择采集腰部(1)上的第一多维力传感器(14)的信号；如果助力外骨骼下肢机构处于摆动状态，选择采集小腿(6)上的第二多维力传感器(34)的信号；(4)通过实时控制器的运算与通信模块将第一多维力传感器(14)或第二多维力传感器(34)接触点的力F转换为该点期望的速度v；v＝KvF其中：F为第一多维力传感器(14)或第二多维力传感器(34)上测得的人‐机之间的作用力，设Fx为x轴的作用力，Fy为y轴的作用力，Mz为z轴的力矩；Kv为对角矩阵，Kv＝diag(kx,ky,kw)，kx为x轴的线速度增益参数，ky为y轴的线速度增益参数，kw为z轴的转动角速度增益参数；v为第一多维力传感器(14)或第二多维力传感器(34)安装点的运动速度，设vx为x轴的线速度，vy为y轴的线速度，wz为z轴的转动角速度；(5)计算雅可比矩阵的逆矩阵ω＝J‑1v，得出髋关节(3)和膝关节(5)的期望速度ω，再对其进行积分，得出髋关节(3)和膝关节(5)的期望角度qd；(6)实时控制器通过采集运算髋关节旋转编码器(21)和膝关节旋转编码器(32)的角度信息q，输出控制电液伺服阀的电压信号u(t)；u(t)=kpe(t)+1ki∫0te(t)dt+kdde(t)dt]]>其中，e(t)＝qd(t)‑q(t)，qd(t)为实时控制器通过采集运算得出的髋关节(3)和膝关节(4)的期望角度，q(t)为髋关节(3)和膝关节(5)对应旋转编码器测量到的角度；kp为比例系数，ki为积分时间常数，kd为微分时间常数；(7)伺服阀放大板(36)将步骤(6)获得的电压信号u(t)转化为电液伺服阀的电流信号；(8)第一电液伺服阀(17)和第二电液伺服阀(18)根据电流信号的大小，实现对流入第一液压缸(20)和第二液压缸(31)流量的控制，进而实现液压缸活塞位置的控制。