[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

说明书

本发明涉及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，控制方法为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；S3PID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。本发明实现了外骨骼角度跟随人体运动，最大偏差可控制在2°左右；实验效果显示该发明解决了惯性传感器的延时问题，至少降低了150ms的时延。

技术领域

本发明涉及穿戴式机器人领域，特别是一种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。

背景技术

可穿戴助力机器人是一种新兴复杂的人机交互系统，其以实现助力、提高人类单体负载能力为目的，例如应用于战场救援、物资搬运，可大大提高救援和搬运的效率，同时降低人类单体的疲劳感。

下肢外骨骼系统是一类以增强人体背负能力为目的的可穿戴助力机器人。该系统在实现助力的同时必须具备自主跟随人体运动的能力。通过惯性传感器感知人体关节角度对下肢外骨骼关节驱动器进行控制可以实现其对人体运动的自主随，但是市场上常见的惯性传感器对人体关节运动的角度感知往往存在较大时延。因此在选择使用惯性信息完成随动控制的下肢外骨骼系统中需要解决惯性传感器的延时问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可实现外骨骼角度跟随人体运动，并且可有效地解决跟随过程中时延问题的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。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制装置，其特征在于：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结算结构，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。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制方法，所述控制方法基于上述控制装置，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。

而且的，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；