[發(fā)明專利]實(shí)現(xiàn)節(jié)律柔順運(yùn)動(dòng)的液壓外骨骼機(jī)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(jì)）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(tuán)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

本發(fā)明涉及一種實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人節(jié)律柔順運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)及方法，所述控制系統(tǒng)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(jī)交互力采集模塊、慣性傳感器模塊和人機(jī)交互界面；所述伺服控制系統(tǒng)包括執(zhí)行層控制器、電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、反饋測量單元和機(jī)器人本體模塊；所述步態(tài)模式發(fā)生器統(tǒng)一協(xié)調(diào)產(chǎn)生各個(gè)關(guān)節(jié)參考運(yùn)動(dòng)軌跡；所述執(zhí)行層控制器中包括了力控制算法和位置控制控制算法。本發(fā)明采用層次化、分布式控制系統(tǒng)，通過合理分配各個(gè)部分的計(jì)算量，不僅提高系統(tǒng)的可靠性與實(shí)時(shí)性，而且能夠提高外骨骼機(jī)器人的柔順性和敏捷性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)及控制方法，尤其是一種可實(shí)現(xiàn)柔順液壓驅(qū)動(dòng)的外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

外骨骼機(jī)器人是智能化的人機(jī)交互系統(tǒng)，它能有效增強(qiáng)人體負(fù)載能力，在單兵機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)、救災(zāi)救援、康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景。國際上較為典型外骨骼機(jī)器人應(yīng)用包括美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局(DAPRA)的XOS和HULC、洛克希德馬丁公司FORTIS、以色列的Rewalk以及日本筑波大學(xué)的HAL等。近年來，中國兵器集團(tuán)公司、中國船舶重工集團(tuán)公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國科學(xué)院等國內(nèi)科研院所也在針對不同應(yīng)用場景開展外骨骼機(jī)器人的研制。

控制系統(tǒng)是決定外骨骼機(jī)器人性能指標(biāo)的最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的控制策略一般針對每一個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)單獨(dú)地進(jìn)行位置、力或者力位混合控制，側(cè)重于對機(jī)器人底層關(guān)節(jié)的局部控制。在這種控制模式下，外骨骼關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)可以看成是一種簡單的反射運(yùn)動(dòng)，缺少所有關(guān)節(jié)之間頂層的和全局的協(xié)調(diào)控制策略，這就導(dǎo)致現(xiàn)有外骨骼機(jī)器人與穿戴者之間適應(yīng)性差，人機(jī)之間干涉問題較為嚴(yán)重，人機(jī)行走動(dòng)作僵硬。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種設(shè)計(jì)合理、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)且可以實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人節(jié)律柔順運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明解決其現(xiàn)實(shí)問題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種實(shí)現(xiàn)節(jié)律柔順運(yùn)動(dòng)的液壓外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)，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(jī)交互力采集模塊、慣性傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和人機(jī)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(shí)間和空間上的分布；所述人機(jī)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(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng)步態(tài)進(jìn)行在線綜合分析，在線生成機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參考軌跡和控制模式并且輸出至伺服控制系統(tǒng)；