[发明专利]人机外骨骼系统及其力控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机人工智能技术领域，更具体地，本发明涉及一种人机外骨骼系统及其力控制方法。

背景技术

人机外骨骼系统是一种结合人的智能与机械装置的机械能量的特殊机械系统，其中的机械装置一般类似人形，穿戴在人身上，能够承担人体承受的大部分负荷，因此称为外骨骼，而外骨骼的动作受人控制，形成人机结合系统。

外骨骼控制中的一个关键问题是让控制器知道操作者的意图，在控制外骨骼跟随操作者的同时，保持人和外骨骼之间的作用力较小，达到外骨骼承担负荷，降低人体能量消耗的功能。

目前外骨骼的控制有采用预编程技术实现外骨骼运动，有采用肌电传感器测量人的意识，控制驱动器产生辅助力矩，也有采用角度传感器测量人体运动，从而控制外骨骼运动。现有的系统和控制方法不同程度存在缺陷：采用预编程技术实现的运动方式有限，而人的运动方式是随时发生改变的；采用肌电传感器需要在人体皮肤表面粘贴肌电传感器，使用不便，并且在剧烈运动中，容易脱落、易位，长时间运动后，人体出汗会影响传感器的测量，肌电传感器随人的个体不同，存在一定的差异等缺点；采用角度传感器则需要将这些传感器安装在人体上，使用不便。

发明内容

为克服现有人机外骨骼系统及控制方法的实现运动方式有限、使用不便的缺陷，本发明提供一种人机外骨骼系统及其力控制方法。

根据本发明的一个方面，提供了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。

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。

其中，所述压力开关和压力传感器在鞋底的安装方式包括：每个鞋底可以安装一个或者多个，并且可以安装在脚跟或者脚尖。

其中，所述多维力传感器的安装位置还可以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模态。

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。

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，并且可视为三链串行机械臂或者四链串行机械臂。

根据本发明的另一方面，提供了使用上面所述任一人机外骨骼系统的力控制方法，包括：

步骤10)、根据外骨骼关节角度信号、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)、根据测得的多维力传感器信号，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。

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和质量属性，得到重力补偿力矩。

其中，步骤30)还包括：所述关节补偿力矩可以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。

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：