[发明专利]一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法。

背景技术

军队士兵经常需要背负重物进行长距离行走或作战，过重的负载常会对士兵身体造成一定的伤害，在这种背景下，需要开发一款能在战场环境中增强士兵速度、力量以及耐力的外骨骼装备；在科考、消防营救等领域，科考人员及消防营救人员常常需要长距离行走、背负重物、运送伤员、野外作战、登山探险等，传统的轮式交通工具难以在这些特殊场合发挥作用。除此之外，外骨骼也可以被用于仓库的货物装卸，以减轻搬运工人的劳动强度。外骨骼与人的组合能适应非结构化的环境，拥有极好的灵活性，可以完成一些复杂的装卸的工作，如为战斗机装卸导弹等，这是其他的装卸设备难以比拟的。外骨骼在这些领域的应用将对这些领域起到非常积极的作用。另外，老龄化正在全球蔓延，外骨骼的出现不仅可以帮助一些老年人解决体力较差、行走不变的问题，也可以帮助一些丧失行动能力的人恢复部分的行动能力。助力外骨骼的特点是要求在非结构环境下与穿戴者进行协作，这要求研究人员需要解决非结构性环境下高度协调的人机一体化问题，包括有效、可靠的人机间交互问题，对人体运动意图的快速响应问题，轻便、灵活的仿生结构设计，人机系统的安全性问题等，这些技术问题还处于初级摸索阶段，并不成熟，还需要进行深入的研究。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法，该方法在人机间交互问题上有效、可靠，并具有对人体运动意图快速响应的特点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法，所述可穿戴式助力外骨骼上肢机构包括：左臂、右臂、背架、实时控制器和电机驱动器；其中，所述左臂和右臂结构相同，分别铰接在背架的两侧；电机驱动器与实时控制器相连；

所述左臂与右臂均包括：大臂电机、从动圆柱齿轮、肩关节旋转编码器、球铰、大臂、小臂电机、从动锥齿轮、肘关节旋转编码器、多维力传感器、小臂、手掌、主动圆柱齿轮、主动锥齿轮、小臂绑带；其中，大臂电机安装在背架的上端一侧；大臂电机的输出轴与主动圆柱齿轮固定连接；从动圆柱齿轮铰接在背架上，并与主动圆柱齿轮啮合传动，在铰接处设置肩关节旋转编码器；球铰的一端与从动圆柱齿轮固定连接，另一端与大臂上端固定连接；大臂下端与小臂的上端铰接，在铰接处设置肘关节旋转编码器；小臂电机设置在大臂上，主动锥齿轮与小臂电机输出轴固定连接；从动锥齿轮固定在小臂上，并与主动锥齿轮啮合传动；小臂的下端与手掌铰接；多维力传感器设置在小臂上，多维力传感器与小臂绑带相连；大臂电机和小臂电机均与电机驱动器相连；肩关节旋转编码器、肘关节旋转编码器和多维力传感器均与实时控制器相连；

该方法包括如下步骤：

(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；将大臂和小臂旋转至平行位置，此时，初始化肩关节旋转编码器和肘关节旋转编码器，将肩关节旋转编码器和肘关节旋转编码器的数值调零；同时，初始化多维力传感器；

(2)当大臂和小臂相对转动时，采集小臂上的多维力传感器的信号；

(3)通过实时控制器的运算与通信模块将多维力传感器接触点的力F转换为该点期望的速度v；

v＝K_vF

其中：F为多维力传感器上测得的人-机之间的作用力，设F_x为x轴的作用力，F_y为y轴的作用力，M_z为z轴的力矩；K_v为对角矩阵，K_v＝diag(k_x,k_y,k_w)，k_x为x轴的线速度增益参数，k_y为y轴的线速度增益参数，k_w为z轴的转动角速度增益参数；v为多维力传感器安装点的运动速度，设v_x为x轴的线速度，v_y为y轴的线速度，w_z为z轴的转动角速度；

(5)计算雅可比矩阵的逆矩阵ω＝J^-1v，得出肩关节和肘关节的期望速度ω，再对其进行积分，得出肩关节和肘关节的期望角度矩阵q_d；

(6)实时控制器通过采集运算肩关节旋转编码器和肘关节旋转编码器的角度信息q，输出控制电机的电压信号u(t)；