一種用于助力外骨骼系統(tǒng)的控制方法技術方案

本發(fā)明專利技術屬于自動控制技術領域，涉及一種用于助力外骨骼系統(tǒng)的控制方法。本發(fā)明專利技術根據(jù)人體對助力外骨骼系統(tǒng)的依賴程度，將助力外骨骼系統(tǒng)的控制分為粗調(diào)控制和精調(diào)控制；具體方法首先通過感知系統(tǒng)分析出目前人體的運動狀態(tài)，根據(jù)不同的運動狀態(tài)，如低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走，通過粗調(diào)控制方法，利用電機控制，控制油源壓力，以達到不同的運動狀態(tài)所要求的液壓控制量；同時，在粗調(diào)控制的基礎上，為了更加精確地控制外骨骼的運動姿態(tài)，采用精調(diào)控制，通過液壓缸伸長量調(diào)節(jié)外骨骼末端肢節(jié)的位姿，以達到期望的位姿，最終讓外骨骼精確地實現(xiàn)不同的運動狀態(tài)。所述助力外骨骼系統(tǒng)的動力控制裝置為由伺服電機控制的液壓泵和由伺服閥控制的液壓缸構(gòu)成；所述的粗調(diào)控制對應的是調(diào)節(jié)油源壓力大小，所述的精調(diào)控制對應的是調(diào)節(jié)液壓缸的位移大小。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術屬于自動控制
，涉及一種用于助力外骨骼系統(tǒng)的控制方法。
技術介紹
在搶險救災或山地環(huán)境中，人們往往需要攜帶大量的裝備和物資，這樣會影響行進速度、行走距離和機動能力，因此，各國正在加速研制符合人體工程學的外骨骼攜行助力系統(tǒng)，以實現(xiàn)減少體能消耗，提高負重能力和機動能力。目前的助力外骨骼系統(tǒng)主要的控制方法為采用液壓控制系統(tǒng)，并結(jié)合PID控制方法進行控制，而PID控制方法需要先給出控制參數(shù)，目前常用的PID參數(shù)給定方法為試湊法，就是根據(jù)控制器各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響程度，觀察系統(tǒng)的運行，邊修改參數(shù)，直到滿意為止，而對于像液壓這樣的系統(tǒng)，由于系統(tǒng)參數(shù)在運行過程中是不斷變化的，如在伺服閥零位，液壓尼系數(shù)很小而流量放大Kq系數(shù)卻很大，且電液伺服閥有時不在零位工作等，當系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化時，系統(tǒng)的模型也隨之改變，以不變的控制參數(shù)去控制易發(fā)生變化的對象，PID控制效果很難保證。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的，就是針對上述問題，提供一種電機控制與液壓控制相結(jié)合的用于助力外骨骼系統(tǒng)的控制方法。本專利技術的技術方案為：一種用于助力外骨骼系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括：根據(jù)人體對助力外骨骼系統(tǒng)的依賴程度，將助力外骨骼系統(tǒng)的控制分為粗調(diào)控制和精調(diào)控制；具體方法首先通過感知系統(tǒng)分析出目前人體的運動狀態(tài)，根據(jù)不同的運動狀態(tài)，如低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走，通過粗調(diào)控制方法，利用電機控制，控制油源壓力，以達到不同的運動狀態(tài)所要求的液壓控制量；同時，在粗調(diào)控制的基礎上，為了更加精確地控制外骨骼的運動姿態(tài)，采用精調(diào)控制，通過液壓缸伸長量調(diào)節(jié)外骨骼末端肢節(jié)的位姿，以達到期望的位姿，最終讓外骨骼精確地實現(xiàn)不同的運動狀態(tài)。所述助力外骨骼系統(tǒng)的動力控制裝置為由伺服電機控制的液壓泵和由伺服閥控制的液壓缸構(gòu)成，其中，液壓泵連接有油箱，伺服電機的輸出由油源壓力期望值和液壓泵輸出的油源壓力輸出值共同調(diào)節(jié)，伺服電機控制液壓泵的輸出，液壓泵的輸出還與伺服閥連接，伺服閥由液壓缸期望位移值、油源壓力輸出值以及液壓缸實際位移值共同調(diào)節(jié)，伺服閥通過流量控制液壓缸的位移進而控制助力外骨骼系統(tǒng)；所述的粗調(diào)控制對應的是調(diào)節(jié)油源壓力大小，所述的精調(diào)控制對應的是調(diào)節(jié)液壓缸的位移大小；則還包括：a.根據(jù)助力外骨骼系統(tǒng)感知裝置所采集到的人體運動狀態(tài)信號，判斷當前狀態(tài)下的人體運動特性，若當前狀態(tài)下的人體運動特性為輕負載運動，則進入步驟b；若當前狀態(tài)下的人體運動特性為高負載運動，則進入步驟c；b.助力外骨骼系統(tǒng)啟用粗調(diào)控制，具體為：所述人體運動狀態(tài)信號至少包括低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走；設助力外骨骼系統(tǒng)的有效承載能達到70％，則還包括：b1.獲取液壓泵的油源壓力期望值，具體方法為：b11.當人體運動狀態(tài)信號為低速行走、站立、下蹲或起蹲時，則通過如下公式1計算當前液壓泵的油源壓力期望值為：公式1中，m0為儀器自重，mf為背部負荷，D是液壓缸活塞直徑大小，η為膝關節(jié)處力臂修正系數(shù)，Δp為伺服閥節(jié)流壓力損失；背部負荷mf可以通過初始時刻腳底壓力傳感器數(shù)值進行估算，可通過如下公式2計算：公式2中Fsi為第i個腳底壓力傳感器數(shù)值，ζ為壓力傳感器誤差修正系數(shù)；b12.當人體運動狀態(tài)信號為高速行走時，則通過如下公式3計算當前液壓泵的油源壓力期望值為：公式3中，Pn為額定功率，qexp為液壓缸流量，可通過如下公式4計算：公式4中，Ap表示液壓缸橫截面積，為：Ap＝πD2/4；S為液壓缸的收縮速率，假設高速行走時，人體單腿一個運動步態(tài)周期為T，支撐周期設為一個步態(tài)周期60％，設液壓缸滿行程為Lmax＝0.16m，在快速行走時，液壓缸位移為一個行程的1/2～1/3，則液壓缸收縮速率可通過如下公式5計算：b2.根據(jù)步驟b1中獲得的油源壓力期望值，通過轉(zhuǎn)速控制器對伺服電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，從而通過伺服電機控制液壓泵來控制油源壓力輸出值；c.助力外骨骼系統(tǒng)啟用精調(diào)控制，具體為：通過如下公式6計算液壓缸期望位移值：公式6中，表示當前膝關節(jié)角度變化期望值；Dist1，Dist2以及當前液壓缸的期望位置構(gòu)成了一個三角形，它們分別表示三角邊的大腿連接點或者小腿連接點與膝關節(jié)軸承的距離。本專利技術的有益效果為，能夠根據(jù)不同的人體運動狀態(tài)、運動速度和運動階段提供不同的動力支持，從而實現(xiàn)既能夠?qū)崟r跟蹤人體運動并為人體運動提供高效合適的助力，同時又減少了系統(tǒng)能耗。附圖說明圖1是本專利技術的控制系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本專利技術的粗調(diào)控制流程示意圖；圖3是本專利技術的精調(diào)控制流程示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖，詳細描述本專利技術的技術方案：本專利技術對針對的外骨骼系統(tǒng)，首先需要在系統(tǒng)裝置的傳感靴、剛肢體的膝關節(jié)、大腿、小腿、液壓系統(tǒng)的泵出口，以及液壓缸處分別安放壓力傳感器、壓力開關、角度傳感器、慣性傳感器和液壓傳感器，實時感知人體下肢的運動狀態(tài)、運動速度和運動階段，從而為控制系統(tǒng)提供實時、準確的信息，該部分是本領域內(nèi)技術人員所熟知的技術，在此不再贅述。本專利技術的控制系統(tǒng)，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示，助力外骨骼系統(tǒng)的動力控制裝置為由伺服電機控制的液壓泵和由伺服閥控制的液壓缸構(gòu)成，其中，液壓泵連接有油箱，伺服電機的輸出由油源壓力期望值和液壓泵輸出的油源壓力輸出值共同調(diào)節(jié)，伺服電機控制液壓泵的輸出，液壓泵的輸出還與伺服閥連接，伺服閥由液壓缸期望位移值、油源壓力輸出值以及液壓缸實際位移值共同調(diào)節(jié)，伺服閥通過流量控制液壓缸的位移進而控制助力外骨骼系統(tǒng)。本專利技術的控制流程如圖2、圖3所示：利用泵控油源壓力進行粗控制，利用伺服閥的反饋控制進行精控制，通過多種傳感器的組合進行模式判別，如果當前的模式為低速行走或者站起、下蹲、起蹲，則利用油源控制方案中計算出的低速模式下的油源壓力期望值，使油源壓力跟蹤此壓力值，利用插值函數(shù)實時查找當前條件下合適的控制器，同時將數(shù)字量輸出給D/A口，以此完成對油源壓力的粗控制；高速行走模式下的實現(xiàn)流程與此類似。與此同時進行的是，通過膝關節(jié)編碼器的A/D口,可以知道膝關節(jié)當前的彎曲角度，將當前角度減去膝關節(jié)編碼器的初始角度，可以得出此時骨骼服膝關節(jié)的角度，利用三角形余弦定理，可知當前液壓缸的長度，同時利用參數(shù)的自適應調(diào)整方案，調(diào)整不同運動狀態(tài)的控制參數(shù)，輸出數(shù)字量，在D/A通道的轉(zhuǎn)換下，數(shù)字量變?yōu)橄鄬哪M量，改變伺服閥的輸入電流，以改變其開口大小。期望控制信號的獲取方式如下：低速運動模式下泵控油源壓力期望信號獲得方法：泵控力反饋/輸出流量反饋控制回路響應慢，屬于粗控策略，主要用來對不同模式下需要的基本油源壓力進行穩(wěn)定控制；而伺服閥控制回路響應快，屬于精控策略，主要對不同模式下液壓缸位移進行精確伺服控制，滿足人正常行走、下蹲、起蹲時，外骨骼隨動跟蹤需求。(1)低速行走單腿支撐在有效承載能達到70％的情況下，油源期望壓力表示為： p s exp = ( m 0 + m f ) g × 70 本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種用于助力外骨骼系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括：根據(jù)人體對助力外骨骼系統(tǒng)的依賴程度，將助力外骨骼系統(tǒng)的控制分為粗調(diào)控制和精調(diào)控制；具體方法首先通過感知系統(tǒng)分析出目前人體的運動狀態(tài)，根據(jù)不同的運動狀態(tài)，如低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走，通過粗調(diào)控制方法，利用電機控制，控制油源壓力，以達到不同的運動狀態(tài)所要求的液壓控制量；同時，在粗調(diào)控制的基礎上，為了更加精確地控制外骨骼的運動姿態(tài)，采用精調(diào)控制，通過液壓缸伸長量調(diào)節(jié)外骨骼末端肢節(jié)的位姿，以達到期望的位姿，最終讓外骨骼精確地實現(xiàn)不同的運動狀態(tài)，所述助力外骨骼系統(tǒng)的動力控制裝置為由伺服電機控制的液壓泵和由伺服閥控制的液壓缸構(gòu)成，其中，液壓泵連接有油箱，伺服電機的輸出由油源壓力期望值和液壓泵輸出的油源壓力輸出值共同調(diào)節(jié)，伺服電機控制液壓泵的輸出，液壓泵的輸出還與伺服閥連接，伺服閥由液壓缸期望位移值、油源壓力輸出值以及液壓缸實際位移值共同調(diào)節(jié)，伺服閥通過流量控制液壓缸的位移進而控制助力外骨骼系統(tǒng)；所述的粗調(diào)控制對應的是調(diào)節(jié)油源壓力大小，所述的精調(diào)控制對應的是調(diào)節(jié)液壓缸的位移大小；則還包括：a.根據(jù)助力外骨骼系統(tǒng)感知裝置所采集到的人體運動狀態(tài)信號，判斷當前狀態(tài)下的人體運動特性，若當前狀態(tài)下的人體運動特性為輕負載運動，則進入步驟b；若當前狀態(tài)下的人體運動特性為高負載運動，則進入步驟c；b.助力外骨骼系統(tǒng)啟用粗調(diào)控制，具體為：所述人體運動狀態(tài)信號至少包括低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走；設助力外骨骼系統(tǒng)的有效承載能達到70％，則還包括：b1.獲取液壓泵的油源壓力期望值，具體方法為：b11.當人體運動狀態(tài)信號為低速行走、站立、下蹲或起蹲時，則通過如下公式1計算當前液壓泵的油源壓力期望值為：公式1中，m0為儀器自重，mf為背部負荷，D是液壓缸活塞直徑大小，η為膝關節(jié)處力臂修正系數(shù)，Δp為伺服閥節(jié)流壓力損失；背部負荷mf可以通過初始時刻腳底壓力傳感器數(shù)值進行估算，可通過如下公式2計算：公式2中Fsi為第i個腳底壓力傳感器數(shù)值，ζ為壓力傳感器誤差修正系數(shù)；b12.當人體運動狀態(tài)信號為高速行走時，則通過如下公式3計算當前液壓泵的油源壓力期望值為：公式3中，Pn為額定功率，qexp為液壓缸流量，可通過如下公式4計算：公式4中，Ap表示液壓缸橫截面積，為：Ap＝πD2/4；S為液壓缸的收縮速率，假設高速行走時，人體單腿一個運動步態(tài)周期為T，支撐周期設為一個步態(tài)周期60％，設液壓缸滿行程為Lmax＝0.16m，在快速行走時，液壓缸位移為一個行程的1/2～1/3，則液壓缸收縮速率可通過如下公式5計算：b2.根據(jù)步驟b1中獲得的油源壓力期望值，通過轉(zhuǎn)速控制器對伺服電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，從而通過伺服電機控制液壓泵來控制油源壓力輸出值；c.助力外骨骼系統(tǒng)啟用精調(diào)控制，具體為：通過如下公式6計算液壓缸期望位移值：公式6中，表示當前膝關節(jié)角度變化期望值；Dist1，Dist2以及當前液壓缸的期望位置構(gòu)成了一個三角形，它們分別表示三角邊的大腿連接點或者小腿連接點與膝關節(jié)軸承的距離。...

【技術特征摘要】
1.一種用于助力外骨骼系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括：根據(jù)人體對助力外骨骼系統(tǒng)的依賴程度，將助力外骨骼系統(tǒng)的控制分為粗調(diào)控制和精調(diào)控制；具體方法首先通過感知系統(tǒng)分析出目前人體的運動狀態(tài)，根據(jù)不同的運動狀態(tài)，如低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走，通過粗調(diào)控制方法，利用電機控制，控制油源壓力，以達到不同的運動狀態(tài)所要求的液壓控制量；同時，在粗調(diào)控制的基礎上，為了更加精確地控制外骨骼的運動姿態(tài)，采用精調(diào)控制，通過液壓缸伸長量調(diào)節(jié)外骨骼末端肢節(jié)的位姿，以達到期望的位姿，最終讓外骨骼精確地實現(xiàn)不同的運動狀態(tài)，所述助力外骨骼系統(tǒng)的動力控制裝置為由伺服電機控制的液壓泵和由伺服閥控制的液壓缸構(gòu)成，其中，液壓泵連接有油箱，伺服電機的輸出由油源壓力期望值和液壓泵輸出的油源壓力輸出值共同調(diào)節(jié)，伺服電機控制液壓泵的輸出，液壓泵的輸出還與伺服閥連接，伺服閥由液壓缸期望位移值、油源壓力輸出值以及液壓缸實際位移值共同調(diào)節(jié)，伺服閥通過流量控制液壓缸的位移進而控制助力外骨骼系統(tǒng)；所述的粗調(diào)控制對應的是調(diào)節(jié)油源壓力大小，所述的精調(diào)控制對應的是調(diào)節(jié)液壓缸的位移大小；則還包括：a.根據(jù)助力外骨骼系統(tǒng)感知裝置所采集到的人體運動狀態(tài)信號，判斷當前狀態(tài)下的人體運動特性，若當前狀態(tài)下的人體運動特性為輕負載運動，則進入步驟b；若當前狀態(tài)下的人體運動特性為高負載運動，則進入步驟c；b.助力外骨骼系統(tǒng)啟用粗調(diào)控制，具體為：所述人體運動狀態(tài)信號至少包括低速行走、站立、下蹲、起蹲和高速行走；設助力外骨骼系統(tǒng)的...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：張向剛，王浩，秦開宇，張明，
申請(專利權(quán))人：成都潤惠科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：四川;51