[发明专利]一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统

权利要求书

1.一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，其特征在于，包括力感知机构和控制系统模块，

所述力感知机构包括力传感模块和储能机构模块，所述力传感模块用于传动及反馈人机交互力信息，所述储能机构模块用于储存弹性势能；

所述控制系统模块包括非线性控制框架模块和安全保护策略模块，所述非线性控制框架模块包括基于储能机构的非线性框架模块、基于力感知机构的自适应PD控制器模块和解耦运动控制器模块，用于控制驱动绳驱动外骨骼的动作，减少非线性带来的控制影响；

所述基于储能机构的非线性框架模块，用于减少绳驱动的单向力特性以及非线性带来的影响；

所述基于力感应机构的自适应PD控制器模块，用于补偿肘关节的非线性的驱动效率；

所述解耦运动控制器模块，用于解决肘关节以及腕关节的耦合控制规划；

所述安全保护策略模块，用于检测交互力信息，并切换外骨骼的模式以保护人机安全。

2.根据权利要求1所述的一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，其特征在于：所述力传感模块设置在人体前臂连接件(5)和人体上臂连接件(6)之间，力传感模块包括两个对称设置的力传感器单元，每个力传感器单元包括驱动绳(1)、滑轮组(2)、力传感器(3)，驱动绳(1)、滑轮组(2)、力传感器(3)组成一个定、动滑轮组合，作为力传感模块及外骨骼的驱动源，其中，驱动绳(1)一端与人体前臂连接件(5)通过所述滑轮组(2)连接，另一端与电机连接。

3.根据权利要求2所述的一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，其特征在于：以其中一个力传感器单元的驱动绳(1)为例，当以恒定的速度旋转肘关节并有张力时，驱动绳(1)需要提供张力以平衡前臂上的总重力，由于同一条驱动绳(1)的不同部分的张力是相等的，所以得到公式(1)，同时，所述力感知机构通过引入滑轮组(2)，使它不涉及关节的结构形式，不干扰绳驱动装置的耦合动作；

f_p＝(1/3)f_all＝(1/2)f_fs    (1)

式中，f_p代表单段驱动绳的拉力，f_all代表系统总受力，f_fs代表力传感模块的感知力。

4.根据权利要求1所述的一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，其特征在于，所述储能机构模块包括多个拉伸弹簧(4)，且多个拉伸弹簧(4)等分一个圆周，所述储能机构模块的几何关系由公式(2)确定：

式中，τ_e代表储能机构模块产生的反向扭矩，r_e代表储能机构模块的内径，R_e代表储能机构模块的外径，θ_1-a代表肘关节的转动角度，k_s代表储能机构模块的弹簧刚度，L_s0代表储能机构模块的弹簧原始长度。

5.根据权利要求1所述的一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，其特征在于：所述基于储能机构的非线性框架模块被设计为公式(3)：

式中，J_f,B_f,L_f和u_1-d(t)分别是肘关节的转动惯量、阻尼、联动长度和输入扭矩，m_f是联动质量，g是重力加速度，τ_e代表储能机构模块产生的反向扭矩，θ_1-a代表肘关节的转动角度，δ_d是系统扰动的上边界，e₁(t)＝θ_1-a-θ_1-d,θ_1-d是肘关节的目标角度，为终端函数，sigmoid(s)为饱和函数。