[发明专利]一种可穿戴式单源仿生动力膝关节系统及其控制方法

权利要求书

1.一种可穿戴式单源仿生动力膝关节系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

1)在大腿连接绷带与大腿传动连杆之间设置大腿力传感器和大腿角度传感器，并连接至智能控制单元，以及在小腿连接绷带与小腿传动连杆之间设置小腿力传感器和小腿角度传感器，并连接至智能控制单元，智能控制单元连接至电机，电机连接至大腿传动连杆和小腿传动连杆，并分别通过大腿连接绷带和小腿连接绷带将仿生动力膝关节绑缚在使用者的大腿和小腿上，并保证仿生动力膝关节的回转运动与使用者的膝关节的回转运动相对吻合；

2)可穿戴式单源仿生动力膝关节系统通电后，通过自动校正零点的方式，使得仿生动力膝关节和力传感器归零；

3)大腿力传感器和小腿力传感器采集使用者与仿生动力膝关节之间的交互力信息，大腿角度传感器和小腿角度传感器采集仿生动力膝关节的位置信息，并传输至智能控制单元；

4)智能控制单元通过交互力信息和位置信息，提取力矢量特种参数，通过模式识别推断使用者的运动意图；

5)智能控制单元通过交互力信息和位置信息，并通过雅可比变换，生成仿生动力膝关节的期望跟踪速度；

6)智能控制单元根据生成的仿生动力膝关节的期望跟踪速度，通过比例积分微分PID控制得到电机的输入电流命令，传送给电机，电机通过大腿传动连杆和小腿传动连杆控制仿生动力膝关节运动，从而对仿生动力膝关节反馈控制；

7)重复步骤3)～6)，实现仿生动力膝关节根据使用者的运动意图快速跟随使用者的膝关节运动，对使用者实时提供辅助力支持。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步骤2)中，在运动初始状态下，通过自动校正零点的方式，使得仿生动力膝关节和力传感器归零。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步骤4)中，力矢量特种参数包括力的大小、速度和加速度。

4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步骤5)中，智能控制单元通过交互力信息和位置信息，生成期望跟踪速度，包括以下步骤：

a)仿生动力膝关节实时跟随人体运动，其期望跟踪点为仿生动力膝关节的实时实际位置，则交互力与期望跟踪速度满足：

其中，V(s)为仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度，F(s)为使用者与仿生动力膝关节之间的交互力，M_a和B_a分别为可调节惯性参数和阻尼参数，s为拉普拉斯变换；

b)上述计算公式在时域下可以写成：

其中，V(t)为时域下t时刻的仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度，F(t)为时域下t时刻的使用者与仿生动力膝关节之间的交互力；

c)把上述时域计算公式写成离散形式：

其中，T为采样周期时间常数，V_n(t)为当前时刻的仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度，V_n-1(t)为上一时刻的仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度；

d)根据上述离散形式公式，得到当前时刻的仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度的计算推导公式：

e)根据仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度，通过雅可比运动关系转换成仿生动力膝关节的期望跟踪速度其计算公式如下：

其中，J为仿生动力膝关节的运动学雅可比矩阵。

5.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步骤6)中，智能控制单元根据生成的仿生动力膝关节的期望跟踪速度，通过PID控制得到电机的实际控制输出力矩命令τ，再根据电机的实际控制输出力矩命令τ，得到电机的输入电流命令I_c，计算公式如下：

其中，K_t为电机力矩常数。

6.一种可穿戴式单源仿生动力膝关节系统，其特征在于，所述系统包括：大腿力传感器、小腿力传感器、大腿角度传感器、小腿角度传感器、智能控制单元、电机、大腿传动连杆和小腿传动连杆；其中，大腿传动连杆和小腿传动连杆的一端分别安装在仿生动力膝关节上，大腿传动连杆和小腿传动连杆的另一端分别设置大腿连接绷带和小腿连接绷带，分别通过大腿连接绷带和小腿连接绷带将仿生动力膝关节绑缚在使用者的大腿和小腿上；在大腿连接绷带与大腿传动连杆之间设置大腿力传感器和大腿角度传感器，以及在小腿连接绷带与小腿传动连杆之间设置小腿力传感器和小腿角度传感器；大腿力传感器、小腿力传感器、大腿角度传感器和小腿角度传感器分别连接至智能控制单元；智能控制单元连接至电机；电机连接至大腿传动连杆和小腿传动连杆；大腿力传感器和小腿力传感器采集使用者与仿生动力膝关节之间的交互力，大腿角度传感器和小腿角度传感器采集仿生动力膝关节的位置信息，分别传输至智能控制单元；智能控制单元根据交互力信息和位置信息，并通过雅可比变换，生成期望跟踪速度，并根据期望跟踪速度，通过比例积分微分PID控制，得到电机的输入电流命令，传送给电机，电机通过大腿传动连杆和小腿传动连杆控制仿生动力膝关节仿生动力膝关节运动，从而对仿生动力膝关节反馈控制，实现仿生动力膝关节能够根据使用者的运动意图快速跟随使用者的膝关节运动，对使用者实时提供辅助力支持。