[發明專利]一種應用于運動輔助型外骨骼的合力場控制方法及裝置

有效

• 申請號: 201811191853.2
• 申請日: 2018-10-12
• 公開（公告）號: CN109262613B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 崔翔;吳慶勛;王道臣;賈正偉;杜曉東;李鑫
• 申請（專利權）人: 北京機械設備研究所
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 李明里;胡時冶

本發明涉及一種應用于運動輔助型外骨骼的合力場控制方法及裝置，屬于外骨骼技術領域，方法包括，根據獲取的外骨骼給定位置運動軌跡和當前位置，計算當前位置和期望位置的位置誤差；建立可視化合力場模型，依據所述位置誤差，合力場產生糾正位置誤差的力分量和牽拉外骨骼末端運動的力分量；進行合力場輸出力控制，輸出助力輔助外骨骼運動。本發明可應用于康復外骨骼、助力增強型外骨骼等系統，具有算法簡單、安全性高等優點。

技術領域

本發明涉及外骨骼技術領域，尤其是一種應用于運動輔助型外骨骼的合力場控制方法及裝置。

背景技術

外骨骼機器人是一種可穿戴式的助力裝備(提供力學輔助)。

目前，國內外的各類外骨骼機器人既有應用基于運動學/動力學傳感信息的控制算法，例如廣泛應用于機器人系統的PID控制、計算力矩控制、導納控制和阻抗控制等方法，并根據系統具體特點做部分改進，融合例如神經網絡控制、模糊控制等；還有一部分外骨骼機器人采用基于生物電信息的控制算法，但目前生物電信息更多地用于定性地應用于觸發式控制，而生物電信息解碼由于準確度不高，其用于過程控制并不可靠。因此，外骨骼主流做法還是基于運動學/動力學信號反饋的控制方法，核心的理念依然是實現基于人機友好交互地動力學控制策略。

從外骨骼的應用角度講，外骨骼控制算法的設計不是著眼于高精度的軌跡運動控制而是強調人機動力交互性能，使外骨骼能夠穩定地按需輔助肢體的運動。從這個角度來講，常用的機器人控制方法用于運動輔助型外骨骼并不完全切合其控制目標。

發明內容

鑒于上述的分析，本發明旨在提供一種應用于運動輔助型外骨骼的合力場控制方法及裝置，對外骨骼的運動輔助力進行規劃，使外骨骼輔助人實現運動，同時提高外骨骼控制算法的響應速度。

本發明的目的主要是通過以下技術方案實現的：

一種面向運動輔助型外骨骼的合力場控制方法，包括如下步驟：

根據獲取的外骨骼給定位置運動軌跡和當前位置，計算當前位置和期望位置的位置誤差；

建立可視化合力場模型，依據所述位置誤差，利用合力場模型產生糾正位置誤差的力分量和牽拉所述外骨骼末端運動的力分量；

進行合力場輸出力控制，輸出助力輔助外骨骼運動。

進一步地，所述當前位置和期望位置的位置誤差d_i＝Δp_i＝|p_i-p′_i|，式中，當前位置p′_i為外骨骼末端位置，期望位置p_i為所述外骨骼給定位置運動軌跡上距離當前位置p′_i最近點的位置。

進一步地，所述建立的可視化合力場模型為沿著所述給定位置運動軌跡的截面為圓形的管體空間。

進一步地，所述合力場模型輸出力包括法向力f_n和切向力f_t；

所述法向力f_n為糾正位置誤差的力分量，方向沿軌跡線的法向方向用于糾正外骨骼的位置運動誤差，控制外骨骼的位置運動不偏離期望軌跡；

所述切向力f_t為牽拉所述外骨骼末端運動的力分量，方向沿軌跡線的切向方向用于牽拉所述外骨骼末端運動，使外骨骼沿期望位置軌跡而運動。

進一步地，所述法向力f_n和切向力f_t表示為