[发明专利]一种用于重负载外骨骼系统的平衡控制方法

摘要

本发明属于自动控制技术领域，涉及一种用于重负载外骨骼系统的平衡控制方法。本发明的主要思路是，在外骨骼系统负重的情况下，采用位置控制与ZMP控制交替控制的方法，实现较好的平衡控制。本发明中所述外骨骼系统的驱动关节为膝关节，且动力源为液压装置，外骨骼系统的脚底具有多个压力传感器，同时在膝关节处具有用于测量膝关节的角度的光电编码器。本发明的有益效果为，本发明由于将位置控制与改进的ZMP控制结合在一起，设计综合控制策略，采用分段控制方式，不仅提高了人机系统的柔顺性及穿戴者的舒适度，同时也提高了重载荷下人机系统运动的稳定性和安全性。

主权项

一种用于重负载外骨骼系统的平衡控制方法，其特征在于，包括：所述外骨骼系统的驱动关节为膝关节，且动力源为液压装置，外骨骼系统的脚底具有多个压力传感器；根据人体运动特征，将脚尖离地到脚跟触地的时间段定义为腿摆动期，将脚跟触地到脚尖离地的时间段定义为支撑期，所述平衡控制方法具体包括以下步骤：a.判断当前运动特征处于腿摆动期还是处于支撑期，若处于腿摆动期，则进入步骤b，若处于支撑期，则进入步骤c；b.采用位置控制方式控制外骨骼系统的平衡，具体为：通过伺服阀控制液压装置，伺服阀的控制输入电流Ictrl可通过如下公式1计算：Ictrl＝(kyp(Yexp‑Y)+kyi∫(Yexp‑Y))   (公式1)公式1中，kyp、kyi为液压缸位置比例和积分控制参数，Y表示当前液压缸全部长度，可表示为如下公式2：其中，θk表示膝关节实际测量角度；Dist1表示液压缸大腿连接点至膝关节轴承距离；Dist2表示液压缸小腿连接点至膝关节轴承距离；Yexp为期望的液压缸位置，可通过如下公式3计算：公式3中，表示当前膝关节期望角度，可通过人体试验建立的步态周期数据获得；c.采用ZMP控制方式控制外骨骼系统的平衡，具体为：c1.通过压力传感器测得的数据计算ZMP值，具体方法是：将外骨骼系统的运气形成分为单脚支撑和双脚支撑，根据脚底压力传感器采集的数据，当收到单脚的传感器信号时，则为单脚支撑，此时的ZMP值通过如下公式4和公式5计算：其中，x和y为脚底与地面的接触面建立的坐标系的坐标，x对应外骨骼系统前进的方向，则px表示x方向的ZMP值，py表示y方向的ZMP值，n表示压力传感器的数目，j为压力传感器的编号，pjx和pjy表示压力传感器的坐标位置，fjz为压力传感器的测量值；当收到双脚信号时，则为双脚支撑，此时的ZMP值通过如下公式6和公式7计算：其中，pR表示右脚传感器压力中心点位置，fRz表示右脚传感器的测量值，pL表示左脚传感器压力中心点位置，fLz表示左脚传感器的测量值；c2.建立ZMP值与膝关节期望角度之间的关系，具体方法为：假设外骨骼系统的质量M集中于质心，且两个支撑杆无质量，则质心的运动即为重心位置的运动，支撑杆与地面的接触点为ZMP，ZMP在地面运动，由于支撑杆与地面接触是点对点式接触，因此支撑点处的力矩近似为零，保持系统稳定运动的方法是通过改变液压杆的长度，设外骨骼系统行走在平坦地面，ZMP的值表示为：g为重力加速度；构建人机系统等效模型，假设大腿长度为0.4m，小腿长度为0.4m，液压缸与大、小腿的连接点至膝关节的距离分别为L2和L1，膝关节夹角为α，踝关节角度为θ，于是可得系统质心的位置为：x＝0.4sinβ；z＝0.4cosβ+0.4sinθ；根据几何关系可得：构建踝关节角度θ与膝关节夹角α的关系如下：θ＝f(α)＝p1*α5+p2*α4+p3*α3+p4*α2+p5*α+p6；其中，p1＝6.289e+0.04，p2＝‑1.09e+0.06，p3＝7.553e+0.06，p4＝‑2.617e+0.07，p5＝4.533e+0.07，p6＝‑3.141e+0.07；可得：x＝0.4cos[f(α)‑α]z＝‑0.4sin[f(α)‑α]+0.4sin f(α)x··=-0.4{cos[f(α)-α]·(f·(α)-1)+sin[f(α)-α]·f··(α)}]]>z··=0.4{sin[f(α)-α]·(f·(α)-1)2-cos[f(α)-α]·f··(α)-sin[f(α)]·f·2(α)+cos[f(α)]·f··(α)}]]>将上述参数带入ZMP值，可得ZMP与膝关节夹角为α的关系如下公式8：根据步骤c1中获得的ZMP值和公式8，可得出膝关节夹角，将膝关节夹角作为膝关节期望角度带入公式3，可得期望的液压缸位置，进而可得出伺服阀的控制输入电流Ictrl。