[發(fā)明專利]實現(xiàn)節(jié)律柔順運動的液壓外骨骼機器人控制系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810965149.1
• 申請日: 2018-08-23
• 公開（公告）號: CN109015649B
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韓瑞雪;李彬;高志宇;柴林;刁彥飛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國船舶重工集團公司第七0七研究所
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 天津盛理知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12209
• 代理人: 王雨晴

1.一種實現(xiàn)節(jié)律柔順運動的液壓外骨骼機器人控制系統(tǒng)，其特征在于：包括感知與規(guī)劃系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和供電系統(tǒng)；

所述感知與規(guī)劃系統(tǒng)包括感知與規(guī)劃處理器、足底壓力采集模塊、人機交互力采集模塊、慣性傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和人機交互界面；所述足底壓力采集模塊的輸出端和感知與規(guī)劃處理器相連接，用于測量足底壓力在時間和空間上的分布；所述人機交互力采集模塊的輸出端和感知與規(guī)劃處理器相連接，用于測量穿戴者大腿處與外骨骼之間的接觸力信息；所述慣性傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端和感知與規(guī)劃處理器相連接，用于測量穿戴者下肢大小腿以及上肢軀干姿態(tài)信息；所述人機交互界面和感知與規(guī)劃處理器相連接，用于捕捉、傳遞和顯示人機數(shù)據(jù)交互；所述感知與規(guī)劃處理器包括DSP處理模塊和FPGA接口模塊，其輸出端與伺服控制系統(tǒng)相連接，用于接收各采集模塊的輸出數(shù)據(jù)，對人體運動步態(tài)進行在線綜合分析，在線生成機器人各個關(guān)節(jié)運動參考軌跡和控制模式并且輸出至伺服控制系統(tǒng)；

所述伺服控制系統(tǒng)包括執(zhí)行層控制器、電液驅(qū)動系統(tǒng)、反饋測量單元和機器人本體模塊；所述執(zhí)行層控制器包括DSP處理模塊和FPGA接口模塊；所述電液驅(qū)動系統(tǒng)由液壓泵電機驅(qū)動板、伺服閥電機驅(qū)動板和液壓系統(tǒng)構(gòu)成；所述執(zhí)行層控制器FPGA接口模塊接收機器人反饋測量單元中各個傳感器數(shù)據(jù)后輸出至執(zhí)行層控制器DSP處理模塊；所述執(zhí)行層控制器DSP處理模塊的輸出端通過液壓泵電機驅(qū)動板、伺服閥電機驅(qū)動板與液壓系統(tǒng)相連接，用于輸出液壓泵電機與伺服閥電機的控制信號進而控制液壓系統(tǒng)作動；所述液壓系統(tǒng)輸出端與機器人本體模塊相連接，用于驅(qū)動機器人本體各個關(guān)節(jié)模塊運動；所述機器人本體上的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)角度編碼器與執(zhí)行層控制器FPGA接口模塊相連接，用于將機器人本體的髖關(guān)節(jié)角度與膝關(guān)節(jié)角度輸出至執(zhí)行層控制器FPGA接口模塊進行反饋；所述液壓系統(tǒng)上的液壓泵轉(zhuǎn)速編碼器、伺服閥角度編碼器、髖部缸油壓傳感器和膝部缸油壓傳感器與執(zhí)行層控制器FPGA接口模塊相連接，用于將液壓系統(tǒng)的液壓泵轉(zhuǎn)速、伺服閥開度、機器人髖部油缸壓力信號和機器人膝部油缸壓力信號輸出至執(zhí)行層控制器FPGA接口模塊進行反饋；所述液壓泵電機、伺服閥電機通過電流傳感器與執(zhí)行層控制器FPGA接口模塊相連接，用于將液壓泵電機與伺服閥電機的電流信號輸出至執(zhí)行層控制器FPGA接口模塊進行反饋；

所述供電系統(tǒng)的輸出端分別與感知與規(guī)劃系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)相連接并為其供電。

2.如權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)節(jié)律柔順運動的液壓外骨骼機器人控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1、感知與規(guī)劃處理器接收外部傳感器的輸入信號；

步驟2、感知與規(guī)劃處理器提取步驟1所采集信號的特征；

步驟3、由感知與規(guī)劃處理器內(nèi)的步態(tài)模式發(fā)生器產(chǎn)生機器人本體各關(guān)節(jié)的運動參考軌跡；

步驟4、將步驟3中感知與規(guī)劃系統(tǒng)給出的各個關(guān)節(jié)的參考軌跡與控制模式作為伺服控制系統(tǒng)的輸入；

步驟5、將控制模式分為位置控制模式和力控制模式兩種，將位置控制模式分為髖關(guān)節(jié)角位置控制和膝關(guān)節(jié)位置控制，采用關(guān)節(jié)角度、伺服閥開度和液壓缸內(nèi)油壓的三閉環(huán)的控制策略，三閉環(huán)控制系統(tǒng)依次嵌套，且每個伺服均閉環(huán)均采用PID控制算法，控制參數(shù)整定的原則為先內(nèi)環(huán)后外環(huán)；

步驟6、在力控制模式下，利用拉格朗日方法對外骨骼機器人系統(tǒng)進行動力學(xué)建模，得出外骨骼各個關(guān)節(jié)在給定參考軌跡下的期望力矩，采集液壓缸內(nèi)油壓作為反饋，進行力閉環(huán)控制。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實現(xiàn)節(jié)律柔順運動的液壓外骨骼機器人控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：所述步驟1的具體方法為：足底壓力采集模塊和人機交互力采集模塊通過CAN總線接口分別將足底壓力信息和人機交互力信息發(fā)送到感知與規(guī)劃處理器，慣性傳感器數(shù)據(jù)采集模塊將穿戴者姿態(tài)信息通過藍牙接口發(fā)送到感知與規(guī)劃處理器，人機交互界面通過串口將穿戴者設(shè)定的控制參數(shù)發(fā)送到感知與規(guī)劃處理器。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實現(xiàn)節(jié)律柔順運動的液壓外骨骼機器人控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：所述步驟2的具體方法為：感知與規(guī)劃處理器對輸入的足底壓力信號、人機交互力信號以及穿戴者姿態(tài)信號進行濾波和特征提取，分別提取出步態(tài)相位、步幅、步態(tài)周期，穿戴者與外骨骼之間的交互力以及穿戴者姿態(tài)角度的特征變量。