[發(fā)明專利]一種下肢關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)感知與控制系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011074786.3
• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN112192570B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發(fā)明（設計）人: 韓瑞雪;李彬;高志宇;王喆;諶興良
• 申請（專利權(quán)）人: 中國船舶重工集團公司第七0七研究所九江分部
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J9/00
• 代理公司: 北京慕達星云知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 符繼超

1.一種下肢關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)感知與控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：關(guān)節(jié)角度編碼器、步態(tài)相位感知器、關(guān)節(jié)角位置控制器以及關(guān)節(jié)力矩控制器，其中，

所述關(guān)節(jié)角度編碼器測量關(guān)節(jié)角位置，其輸出信號分別傳送到步態(tài)相位感知器、關(guān)節(jié)角度控制器以及關(guān)節(jié)力矩控制器；步態(tài)相位感知器依據(jù)關(guān)節(jié)角度信號進行步態(tài)相位判斷，將步態(tài)相位劃分為支撐相和擺動相；當步態(tài)相位感知器判斷當前處于支撐相時，采用關(guān)節(jié)角位置控制模式，關(guān)節(jié)角度控制器依據(jù)關(guān)節(jié)編碼器信號作為反饋并按照既定角位置曲線進行伺服控制，外骨骼系統(tǒng)產(chǎn)生主動助力支撐；具體方法為：

以事先錄取并存儲于位置伺服控制器中的參考助力關(guān)節(jié)角度波形作為位置伺服控制器的參考給定，以關(guān)節(jié)角度編碼器輸出的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)作為反饋，位置伺服控制器基于參考給定和反饋數(shù)據(jù)之間的偏差產(chǎn)生控制信號，控制信號進而傳遞給驅(qū)動與傳動機構(gòu)，驅(qū)動穿戴者關(guān)節(jié)運動并產(chǎn)生助力支撐，位置伺服控制器采用的關(guān)節(jié)角位置控制算法為：

U_θ＝K_pθΔθ+K_iθ∑Δθ+K_dθ(Δθ-Δθ^p)

式中為當前關(guān)節(jié)角度偏差，為參考助力關(guān)節(jié)角度，∑Δθ為歷史累計關(guān)節(jié)角度偏差，Δθ^p為前一時刻關(guān)節(jié)角度偏差，K_pθ為關(guān)節(jié)角度控制器比例控制增益，K_iθ為關(guān)節(jié)角度控制器積分控制增益，K_dθ為關(guān)節(jié)角度控制器微分控制增益；

當步態(tài)相位感知器判斷當前處于擺動相時，采用關(guān)節(jié)力矩控制模式，關(guān)節(jié)力矩控制器依據(jù)關(guān)節(jié)編碼器信號以及關(guān)節(jié)重力矩和摩擦力矩模型進行零力補償控制，實現(xiàn)外骨骼關(guān)節(jié)對穿戴者關(guān)節(jié)的柔性跟隨；具體方法為：

通過關(guān)節(jié)角度編碼器獲得關(guān)節(jié)角度信號θ以及關(guān)節(jié)角速度信號獲得關(guān)節(jié)期望力矩T_s，力矩生成器的表達式為：

其中G(θ)為關(guān)節(jié)重力矩，為驅(qū)動傳動機構(gòu)等效摩擦力矩，D為摩擦力矩系數(shù)；關(guān)節(jié)期望力矩T_s由力矩電機提供，采用基于電機電流環(huán)路伺服控制的力矩控制方法，電流環(huán)控制回路參考給定為：

其中K_T為電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)，電流傳感器獲得力矩電機電流I，其與電流環(huán)控制回路參考給定之間的偏差通過電流環(huán)控制器產(chǎn)生控制信號，控制算法表達式為：U₁＝K_pIΔI+K_iI∑ΔI+K_dI(ΔI-ΔI^p)

式中為當前時刻電流偏差值，vΔI為歷史累計電流偏差值，ΔI^p為前一時刻電流偏差值，K_pI為電流控制器比例控制增益，K_iI為電流控制器積分控制增益，K_dI為電流控制器微分控制增益。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種下肢關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)感知與控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括足底壓力傳感器，所述足底壓力傳感器測量足底壓力信息，其輸出信號傳送到步態(tài)相位感知器，對基于關(guān)節(jié)角度編碼器的步態(tài)相位感知判定進行標定和對準。

3.一種下肢關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)感知與控制方法，其適用于如權(quán)利要求1-2任一項所述的一種下肢關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)感知與控制系統(tǒng)，其特征在于，包括如下步驟：

S1：步態(tài)相位感知器接收關(guān)節(jié)角度編碼器數(shù)據(jù)，步態(tài)相位感知器依據(jù)關(guān)節(jié)角度幅值判定步態(tài)相位，將步態(tài)相位劃分為支撐相和擺動相；

S2：當步態(tài)相位感知器判定為處于支撐相時，采用關(guān)節(jié)角位置控制模式，關(guān)節(jié)角度控制器依據(jù)關(guān)節(jié)編碼器信號作為反饋并按照既定角位置曲線進行伺服控制，外骨骼系統(tǒng)產(chǎn)生主動助力支撐；

S3：當步態(tài)相位控制器判定為處于擺動相時，采用關(guān)節(jié)力矩控制模式，關(guān)節(jié)力矩控制器依據(jù)關(guān)節(jié)編碼器信號以及關(guān)節(jié)重力矩和摩擦力矩模型進行零力補償控制，實現(xiàn)外骨骼關(guān)節(jié)對穿戴者關(guān)節(jié)的柔性跟隨。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種下肢關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)感知與控制方法，其特征在于，步驟S1中，步態(tài)相位感知器還接收足底壓力傳感器數(shù)據(jù)，采用足底壓力數(shù)據(jù)標定進入支撐相關(guān)節(jié)角度閾值以及進入擺動相關(guān)節(jié)角度閾值，對基于關(guān)節(jié)角度編碼器的步態(tài)相位感知判定進行標定和對準。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種下肢關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)感知與控制方法，其特征在于，足底壓力傳感器只在初始閾值標定和調(diào)整時使用，在正常行走過程中卸除足底壓力傳感器。