[發(fā)明專利]用于下肢外骨骼機器人的分層式控制方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 202111044404.7 | 申請日： | 2021-09-07 |
| 公開（公告）號： | CN113855477B | 公開（公告）日： | 2022-07-19 |
| 發(fā)明（設計）人： | 秦利;王珂 | 申請（專利權）人： | 燕山大學 |
| 主分類號： | A61H1/02 | 分類號： | A61H1/02 |
| 代理公司： | 北京孚睿灣知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11474 | 代理人： | 王冬杰 |
| 地址： | 066004 河北省*** | 國省代碼： | 河北;13 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 用于 下肢 骨骼 機器人 分層 控制 方法 | ||
1.一種用于下肢外骨骼機器人的分層式控制方法，其特征在于，其包括以下步驟：
S1、從數(shù)據(jù)庫中提取樣本信息，分析樣本的特征信息，構建外層控制結構，并輸出在關節(jié)相空間下的外骨骼機器人參考步態(tài)軌跡，具體包括以下子步驟：
S11、設置外骨骼機器人的初始參考步態(tài)軌跡，并采集外骨骼機器人與樣本的交互力矩，包括以下子步驟：
S111、分析樣本的客觀生理特征并結合訓練目標，設置外骨骼機器人初始參考步態(tài)軌跡，通過選擇軌跡參數(shù)ai、ci、di對外骨骼機器人初始參考步態(tài)軌跡進行參數(shù)化，具體表達式如下：
其中，為符合目標客觀生理特征的外骨骼機器人初始參考步態(tài)軌跡，表示一個完整運動周期內(nèi)各關節(jié)角度隨時間的變化，參數(shù)ai表示縮放軌跡振幅，參數(shù)ci能改變并影響目標運動的周期，參數(shù)di改變外骨骼機器人各關節(jié)屈曲和伸展的量，i＝1表示外骨骼機器人第一關節(jié)，i＝2表示外骨骼機器人第二關節(jié)，t為時間；
S112、在一個完整運動周期內(nèi)，采集外骨骼機器人與樣本的交互力矩，并存儲；
S12、基于步驟S11得到的外骨骼機器人初始參考步態(tài)軌跡，對外骨骼機器人初始參考步態(tài)軌跡進行修正，并輸出關節(jié)相空間的外骨骼機器人參考步態(tài)軌跡，其包括以下子步驟：
S121、根據(jù)外骨骼機器人的結構，利用拉格朗日法推導出外骨骼機器人的動力學模型；
S122、根據(jù)外骨骼機器人與樣本交互的阻抗參數(shù)KP和KD，并結合步驟S112得到的交互力矩，計算在一個完整運動周期內(nèi)，外骨骼機器人在各采樣時刻的瞬時參考關節(jié)角度的修正量Δq和修正后的瞬時參考關節(jié)角度qREF,NEW；
S123、基于步驟S122得到的瞬時參考關節(jié)角度qREF,NEW構建代價函數(shù)，通過最速下降法最小化代價函數(shù)，擬合出修正后的外骨骼機器人參考步態(tài)軌跡其中，t為時間，i為外骨骼機器人的第i關節(jié)；
S124、對步驟S123得到的參考步態(tài)軌跡進行聯(lián)合處理，輸出關節(jié)相空間的外骨骼機器人參考步態(tài)軌跡其中hip表示外骨骼機器人的第一關節(jié)角度，knee表示外骨骼機器人的第二關節(jié)角度；
S13、重置外骨骼機器人初始參考步態(tài)軌跡并周期性地更新外層控制結構的輸出；
S2、基于步驟S1獲得的關節(jié)相空間外骨骼機器人參考步態(tài)軌跡，構建內(nèi)層控制結構，輸出外骨骼機器人關節(jié)速度參考量，具體包括以下子步驟：
S21、通過關節(jié)處的絕對值編碼器實時采集外骨骼機器人的關節(jié)角度、關節(jié)速度和關節(jié)加速度的數(shù)值；
S22、基于步驟S21采集的關節(jié)角度和步驟S125得到的關節(jié)相空間下的外骨骼機器人參考步態(tài)軌跡確定內(nèi)層控制結構，包括以下子步驟：
S221、將任一時刻樣本關節(jié)角度映射為關節(jié)相空間內(nèi)一瞬時實際矢量點，并通過幾何分析找出最接近瞬時實際矢量點的瞬時目標矢量點；
S222、將瞬時目標矢量點的法線方向作為調(diào)整方向?qū)⑺矔r目標矢量點的切向方向作為跟蹤方向再根據(jù)訓練目標選取控制參數(shù)λ、k，計算得到速度合成矢量具體表達式如下：
其中，λ和k為內(nèi)層控制結構參數(shù)，分別用來調(diào)整關節(jié)速度參考量的大小和方向，和分別為跟蹤方向和調(diào)整方向，為瞬時參考矢量點與瞬時目標矢量點之間的距離范數(shù)；
S3、基于步驟S2內(nèi)層控制結構得到的關節(jié)速度參考量，對外骨骼機器人的關節(jié)電機進行速度控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于下肢外骨骼機器人的分層式控制方法，其特征在于，在所述步驟S111中，通過改變參數(shù)ai、ci、di，能夠產(chǎn)生不同的外骨骼關節(jié)初始參考步態(tài)軌跡曲線。
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