[发明专利]用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制装置及控制方法

权利要求书

1.一种用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制方法，其特征在于：该控制方法采用的用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制装置，控制装置包括人体惯性传感器、前馈解算器、PID控制器、关节驱动器、外骨骼关节、外骨骼关节角度编码器；

所述人体惯性传感器安装在下肢人体关节上，用于感知人体关节角度、并将采集到的人体关节角度输出给前馈解算器；

所述前馈解算器，用于对输入的人体关节角度进行前馈解算出来，并将解算结果输出给PID控制器；

所述外骨骼关节角度编码器，用于采集外骨骼关节角度，并将角度输出给PID控制器；

所述PID控制器，用于接收前馈解算器的输出的角度值和外骨骼关节角度编码器的输出的解算结果，并输出控制命令给关节驱动器；

所述关节驱动器，用于根据PID控制器的输出驱动外骨骼关节跟随人体关节运动；

所述外骨骼关节穿戴于下肢人体关节外；

控制方法步骤为：

S1通过人体惯性传感器采集下肢人体关节角度，并将角度输出给前馈解算器；

S2前馈解算器对人体惯性传感器采集到的人体关节角度进行前馈解算处理，并将解算结果作为PID控制器的给定输出给PID控制器；

S3 PID控制器根据输入的给定以及外骨骼关节角度编码器采集到的外骨骼角度对关节驱动器进行闭环控制：

S4关节驱动器根据PID控制器的输出驱动外骨骼关节跟随人体关节运动；

S2中的前馈解算处理过程，包括如下步骤：

S21、读取安装在人体关节的惯性传感器感知的关节角度Ar；

S22、缓存连续两个时刻的关节角度，通过差值计算出关节角速度V,公式如下：

V = (Ar(t2) - Ar(t1))/(t2 - t1)，其中t2、t1为前后相邻的两个采样时刻：

S23、根据公式Ac = Ar + a*V获取前馈计算的关节角度Ac，其中a为前馈控制因子；

S24、根据公式Hc = K*Ac+P获取坐标转换后的外骨骼关节角度给定，其中K和P为人体关节角度到外骨骼关节角度坐标转换的参量；

S25、根据安全限幅值Hmin和Hmax对Hc进行限幅操作，当HcHmax时Hc = Hmax，当Hc Hmin时Hc = Hmin；其中外骨骼关节前摆至限位处外骨骼关节编码器输出作为Hmax ；外骨骼关节后摆至限位处外骨骼关节编码器输出作为Hmin。