[发明专利]一种单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制的方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制的方法。

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，这是其他的装卸令备难以比拟的。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，提供一种单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制的方法，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：一种单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制的方法，所述单关节助力外骨骼包括液压缸、关节旋转编码器、力传感器、第一杆件、第二杆件、绷带、伺服阀、伺服放大板、实时控制器等；所述第一杆件和第二杆件通过铰链连接，在铰接处设置关节旋转编码器；液压缸的一端与第一杆件铰接，另一端与第二杆件铰接；力传感器设置在第二杆件上，绷带与力传感器相连；液压缸与伺服阀相连，伺服阀与伺服放大板相连，伺服放大板、关节旋转编码器和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；

(2)将单关节助力外骨骼第一杆件和第二杆件旋转至平行位置，此时，初始化单关节助力外骨骼上的关节旋转编码器，将关节旋转编码器的数值调零；

(3)初始化位于第二杆件上的力传感器，将力传感器的数值调零；

(4)建立单关节助力外骨骼的物理模型，并将其转化为状态方程，所述物理模型包括：人机接口模型、液压缸负载运动模型、液压缸两腔压力模型和伺服阀的流量模型；

(5)通过绷带将人与外骨骼单关节上的力传感器相连，测定力传感器上的作用力T_hm，通过上层ARC控制器，得到平滑处理后的外骨骼参考位移x(1)；

(6)通过关节旋转编码器获得外骨骼的实际角度值，根据步骤5得到的平滑处理后的外骨骼参考位移x(1)，将实际角度值和平滑处理后的外骨骼参考位移x(1)作为下层ARC位置跟踪控制器的输入量，下层ARC位置跟踪控制器的输出为单关节助力外骨骼的控制电压u。

(7)通过伺服阀放大板将步骤6得到的控制电压u转化为伺服阀的控制电流。

(8)控制电流控制伺服阀的阀芯开口从而控制液压缸两端的压力，推动液压缸运动，实现单关节助力外骨骼的运动跟随。

进一步地，所述步骤4具体为：

建立单关节助力外骨骼的物理模型，所述物理模型包括：

人机接口模型：

液压缸负载运动模型：

液压缸两腔压力模型：

伺服阀的流量模型：