[发明专利]一种用于重负载外骨骼系统的平衡控制方法

说明书

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，涉及一种用于重负载外骨骼系统的平衡控制方法。

背景技术

外骨骼机器人具有高度的机械仿生结构，当人穿戴上外骨骼机器人时，可以极大地增强自然人体的负荷能力，它的动力来自随身携带的移动电源，通过液压系统、智能感知系统、稳定检测系统、平衡控制系统等的综合作用，使人能够在重载荷下，甚至是恶劣环境中如履平地，极大地减轻了人体的疲劳感，同时提高了工作效率。我国在外骨骼机器人领域的研究还处于初步阶段，基础研究工作还有待提高，特别是一些关键技术迫切需要解决，突破技术瓶颈，才能制造出高质量、高水平的智能外骨骼机器人。

平衡控制方法是指人机系统重载荷行走时，由于超出了穿戴者的平衡能力或者遭遇环境中不确定干扰因素的影响，偏离正常运行状态时的控制方法。目前国内关于外骨骼机器人稳定的研究也比较浅，仅有几篇论文中提到过关于外骨骼机器人稳定分析，分别是浙江大学、南京理工大学和海军航空工程学院的硕士论文。然而这些相关的文献都仅仅提到稳定性判据，并未在外骨骼机器人上实现稳定控制算法。对于重载荷下，人机系统运动的平衡控制算法研究到目前为止几乎没有公开的信息。

发明内容

本发明的目的，就是针对上述问题，提供一种用于重负载外骨骼系统的平衡控制方法。

本发明的技术方案为：一种用于重负载外骨骼系统的平衡控制方法，其特征在于，包括：

所述外骨骼系统的驱动关节为膝关节，且动力源为液压装置，外骨骼系统的脚底具有多个压力传感器；根据人体运动特征，将脚尖离地到脚跟触地的时间段定义为腿摆动期，将脚跟触地到脚尖离地的时间段定义为支撑期，所述平衡控制方法具体包括以下步骤：

a.判断当前运动特征处于腿摆动期还是处于支撑期，若处于腿摆动期，则进入步骤b，若处于支撑期，则进入步骤c；

b.采用位置控制方式控制外骨骼系统的平衡，具体为：

通过伺服阀控制液压装置，伺服阀的控制输入电流I_ctrl可通过如下公式1计算：

I_ctrl＝(k_yp(Y_exp-Y)+k_yi∫(Y_exp-Y))(公式1)

公式1中，k_yp、k_yi为液压缸位置比例和积分控制参数，

Y表示当前液压缸全部长度，可表示为如下公式2：

其中，θ_k表示膝关节实际测量角度；Dist1表示液压缸大腿连接点至膝关节轴承距离；Dist2表示液压缸小腿连接点至膝关节轴承距离；

Y_exp为期望的液压缸位置，可通过如下公式3计算：

公式3中，表示当前膝关节期望角度，可通过人体试验建立的步态周期数据获得；

c.采用ZMP控制方式控制外骨骼系统的平衡，具体为：

c1.通过压力传感器测得的数据计算ZMP值，具体方法是：

将外骨骼系统的运气形成分为单脚支撑和双脚支撑，根据脚底压力传感器采集的数据，当收到单脚的传感器信号时，则为单脚支撑，此时的ZMP值通过如下公式4和公式5计算：

其中，x和y为脚底与地面的接触面建立的坐标系的坐标，x对应外骨骼系统前进的方向，则p_x表示x方向的ZMP值，p_y表示y方向的ZMP值，n表示压力传感器的数目，j为压力传感器的编号，p_jx和p_jy表示压力传感器的坐标位置，f_jz为压力传感器的测量值；

当收到双脚信号时，则为双脚支撑，此时的ZMP值通过如下公式6和公式7计算：

其中，p_R表示右脚传感器压力中心点位置，f_Rz表示右脚传感器的测量值，p_L表示左脚传感器压力中心点位置，f_Lz表示左脚传感器的测量值；

c2.建立ZMP值与膝关节期望角度之间的关系，具体方法为：