[发明专利]一种外骨骼泵阀联合控制装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种外骨骼泵阀联合控制装置及控制方法。

背景技术

力量增强型动力外骨骼主要用于增强人的力量，帮助人类完成重载负荷作业和肢残人士辅助行走等活动。尤其在高原山地作业中，环境复杂，保障困难，机动运输工具无法正常到达，当携行大量装备物资，山地、长距离重载携行时，外骨骼助力的需求非常突出。因此,有必要研究一套基于外骨骼助力技术的仿生机械装置，满足人体的可穿戴式助力机动需求。

另外，传统的外骨骼控制装置还没有采用泵阀联合控制的先例。采用泵阀联合控制方式能实现在负重携行情况下实现人机耦合位姿随动控制，并实现液压动力系统的节能控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种泵阀联合控制装置及控制方法，针对人体不同的动作模式，分别调节伺服电机转速、电机输出扭矩和液压缸压力，能够在满足不同控制响应指令要求的前提下实现液压节能控制和系统压力随动控制。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

如图1中所示，一种外骨骼泵阀联合控制装置，包括传感器装置，还包括设置在外骨骼髋部的伺服电机、液压定量泵、伺服阀和液压缸；

所述液压定量泵通过联轴器与伺服电机连接，所述伺服阀与所述液压定量泵连接，所述液压缸与所述伺服阀连接；

所述伺服电机转动带动所述液压定量泵单向旋转，通过控制伺服电机转速调节所述液压定量泵的输出流量，控制所述伺服电机扭矩调节所述液压定量泵输出压力，所述伺服阀通过节流，控制所述液压缸的收缩以适应外骨骼的动作模式的膝关节运动。

所述传感器装置包括四只脚底压力传感器、一只压力传感器、五个模式按钮；

如图2中所示，所述四只脚底压力传感器分别设置在两只外骨骼传感鞋的前掌和后跟处，所述压力传感器设置在外骨骼右膝关节前部，用于感知单腿跪地模式；所述模式按钮设置在外骨骼背带上，用于接收人为指令。在图2的标识中分别为：5-后跟压力传感器，6-前掌压力传感器，7-右膝关节压力传感器，8-模式按钮。

所述伺服电机包括旋转变压器和电流计，所述旋转变压器和电流计测量伺服电机的转速和电流，由电流计算得到当前电机的输出扭矩。

所述液压缸的数量为两个。

所述液压缸的进油口处设置流体压力传感器，所述流体压力传感器用于测量液压缸的入口压力。

一种外骨骼泵阀联合控制方法，包括以下步骤：

第一步：根据四只脚底压力传感器、五个模式按钮、一只右膝关节压力传感器信息进行融合判断当前人体5种典型动作模式的控制任务调度逻辑，实现人机携行过程中站立、行走、单腿跪地、单腿起立、双腿蹲几种动作模式之间的正常切换控制，见图5和图6所示。

如图5中所示，通过模式按钮进行模式判定，具体为：

1、其中，默认的模式是行走模式，行走模式中具体的判定流程是：通过脚底压力传感器采集压力数据进行阀值判定：

如果前掌与后跟压力均大于阀值，则进入行走支撑模式，在行走支撑模式下的单腿触地阶段，进行单腿泵阀联合控制；

如果前掌与后跟压力均小于阀值，则进入行走摆动模式，在行走摆动模式下的单腿抬起阶段，伺服阀负向最大。

2、如果判定模式为站立模式，通过脚底压力传感器进行阀值判定；

如果双脚压力值大于阀值，则进入双脚站立模式，在双脚站立模式中的双腿触地阶段，进行双腿泵阀联合控制；

如果出现其他情况，则转入行走模式。

3、如果判定模式为单腿跪地模式，则进入单腿跪地判断流程。

4、如果判定模式为单腿起立模式，则进入单腿起立判断流程。

5、如果判定模式为双腿蹲模式，则通过脚底压力传感器进行阀值判定，如果双脚前脚压力值大于阀值，则进入双脚站立模式，进行双腿泵阀联合控制；

如果出现其他情况，则转入行走模式。

第二步：依据样机在不同负重条件下携行试验，设计电机期望扭矩指令；依据不同动作模式下所需的液压输出流量试验，设计各动作模式下电机期望转速指令；依据人在触地阶段地面垂直反力的变化特性，设计液压缸期望压力指令；这三种指令作为外骨骼泵阀联合控制方法的参考输入。

第三步：采用伺服电机驱动液压定量泵；对电机转速同时进行扭矩伺服和转速调节控制；电机转速在给定范围内时，通过控制电机电流实现电机的扭矩伺服控制；当电机转速超过一定的上下限后，通过控制伺服电机电压实现电机的转速调节控制；