[发明专利]人机外骨骼系统及其力控制方法

权利要求书

1.一种人机外骨骼系统，包括足底传感器以及外骨骼各关节角度传感器、角速度传感器和角加速度传感器的其中一个或者多个，分别安装在所划分的躯体控制模块上，其特征在于：

所述系统还包括外骨骼多维力传感器，配置在外骨骼的躯干重心和上肢末端，用于测量人机之间的交互力。

2.权利要求1的系统，其中，所述足底传感器包括各种形式的压力开关、压力传感器和压力鞋垫的一个或者多个，用于获取人体运动模态。

3.权利要求2的系统，其中，所述压力开关和压力传感器在鞋底的安装方式包括：每个鞋底安装一个或者多个，并且安装在脚跟或者脚尖。

4.权利要求1的系统，其中，所述多维力传感器的安装位置在外骨骼下肢体末端，人体通过所述末端和外骨骼进行交互，以使所述外骨骼获取人体运动意图。

5.权利要求1的系统，其中，在外骨骼的肢体环节上安装所述多维力传感器用于冗余控制。

6.权利要求1的系统，其中，使用所述外骨骼各关节角度、角速度和角加速度传感器的其中一个或者多个间接测量所需信号，并变换为所需量值；或者采用直接测量，获得所需量值；所述控制模块包括左臂控制模块、右臂控制模块、支撑腿控制模块和摆动腿控制模块，并且视其为三链串行机械臂或者四链串行机械臂。

7.使用权利要求1-6任一项所述的人机外骨骼系统的力控制方法，包括：

步骤10)、根据足底传感器获得的信号、外骨骼关节角度、角速度和角加速度信号的一个或者多个以及外骨骼自身质量属性和外骨骼几何属性，获取雅可比矩阵和重力补偿力矩；

步骤20)、根据多维力传感器测得的信号，获取外力补偿力矩；

步骤30)、根据所述雅可比矩阵和所述外力补偿力矩，获取关节补偿力矩；

步骤40)、根据所述重力补偿力矩和所述关节补偿力矩，获取驱动器补偿力矩，控制驱动器输出控制力矩，实现外骨骼运动的力控制。

8.权利要求7的方法，其中，步骤10)还包括：

根据所需控制的自由度，选定所述关节角度信号；所述外骨骼几何属性包括其各个环节的长度、环节重心到环节一端点的长度、环节重心到环节中轴线的垂直高度，并通过对外骨骼躯干在操作空间的位置的表达进行微分处理，获取雅可比矩阵；根据外骨骼动力学方程，得到静态力矩平衡方程，通过外骨骼几何属性，得到重力补偿力矩。

9.权利要求7的方法，其中、步骤30)还包括：所述关节补偿力矩包括关节阻尼力矩用于改善动态响应过程，其中K_D是相应的可调阻尼矩阵参数，为关节角速度信号。

10.权利要求7的方法，其中，步骤40)还包括：根据所述重力补偿力矩和所述关节补偿力矩，应用力控制率方程，获取驱动器补偿力矩，所述力控制率方程为：

Ta=JT(q)τ-KDq·+G(q)]]>

其中，q表示关节角度，表示关节角速度信号，τ表示力和力矩，J^T(q)τ为外力补偿力矩；G(q)为重力补偿力矩；K_D是正定增益矩阵，为关节提供阻尼力矩。