[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

说明书

本发明公开了一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统，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、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、基于力感应机构的自适应PD控制器模块、解耦运动控制器模块，用于控制绳驱动外骨骼的动作，减少非线性带来的控制影响。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。

技术领域

本发明涉及绳驱动外骨骼的力感知机构及控制系统技术领域，特别是涉及一种应用在耦合控制绳驱动外骨骼的力感知及控制系统。

背景技术

医疗康复领域中，传统康复训练的效率取决于治疗师的个人经验；当前流行的康复机器人也存在诸如难以穿戴、转移和运输的缺点，乃至成为了患者和心理医生的负担而非助手。因此医疗康复领域急需一个小型、便携、高效且安全的康复机器人。其中，鲍登电缆驱动的上肢外骨骼是一个颇具潜力的解决办法，而且它在轻量低功耗方面具有较大优势。但他缺少一种合适的力感知机构。力信息的采集是上述外骨骼机器人进行康复训练的关键，力信息的有效采集保证了控制的精确度以及用户和机器的安全。

对于上述鲍登线缆驱动的上肢外骨骼，在力信息采集时有以下要求：(1)该传感器不会受外骨骼或用户动作的干扰，而且不受各关节结构的限制；(2)能够对整个机器人的力信息进行采集；(3)在满足以上两个要求后，采集过程高效而准确。

以前对人机交互环境中力信息采集的研究可以分为下面两个方向：

(1)对于关节处力信息的采集，文献《Pseudo-Sensorless High-PerformanceBilateral Teleoperation by Sliding-Mode Control and FPGA》(IEEE/ASMETransactions on Mechatronics,vol.19,no.1,pp.384-393,2014)使用了霍尔传感器来获取力信息。文献《Design and Analysis of Force-Sensor-Less Power-Assist Control》(IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.61,no.2,pp.985-993,2014)仅使用电机编码器获取力信息。文献《An Elbow Exoskeleton for Upper LimbRehabilitation With Series Elastic Actuator and Cable-Driven Differential》(IEEE Transactions on Robotics,vol.35,no.6,pp.1464-1474,2019)使用弹性致动器获得力信息；