[发明专利]基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制的方法

说明书

本发明实施例公开一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法。该控制方法包括步骤：建立外骨骼机器人的腿部运动学模型，所述腿部包括第一腿和第二腿；在所述腿部运动学模型的基础上，设计支撑阶段的外骨骼机器人的支撑运动控制器模型；在所述腿部运动学模型的基础上，设计摆动阶段的外骨骼机器人的摆动运动控制器模型；根据所述第一腿和第二腿所处阶段的不同，分别采用支撑运动控制器模型或者摆动运动控制器模型相应地控制第一腿的运动或第二腿的运动。该控制方法的实现过程简单、控制过程中所需调整的参数个数较少且可以实现随动的控制效果。

技术领域

本发明涉及康复工程的技术领域，具体涉及一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制的方法。

背景技术

外骨骼助行机器人是集人体信息检测、机器人自动控制、神经工程等多学科知识于一身的高科技成果。机器人设计与研发旨在采用机器运动辅助技术实现预定的人体运动功能，由“意图产生”、“意图识别”、“反馈刺激”三个关键节点实现其完整的功能。外骨骼助行机器人的控制过程可以描述为：首先由穿戴者产生运动意图；然后由机器人上的传感器捕捉到人的运动意图，并利用多种识别算法将人的运动意图进行分类量化；最后由机器人的关节控制器根据人体运动意图的识别结果对机器人各关节电机进行调节，实现辅助人体运动的功能。人与机器人外骨骼是两种不同的动态系统，在人穿戴外骨骼行走过程中，人与外骨骼之间需要相互协作才能达到共同的行走目的。所以，人机协作需要分成两部分：其中之一便是外骨骼机器人的控制方法，另一个是将人的运动意图传递给外骨骼。

目前，针对外骨骼助行机器人关节控制的方法包括相位序列控制方法、基于预定步态的控制方法和灵敏度放大控制方法。相位序列控制方法首先将人体下肢的活动(如行走、站立、爬楼梯等)分成不同的相位阶段，并为相邻相位的切换设置相位过渡时间，然后针对不同相位设置好机器人应该施加的辅助力，在机器人运行过程中，控制器根据传感器反馈信息确定机器人当前活动的相位阶段，然后根据提前设置好的辅助力对人体施加影响，实现对人体下肢活动提供辅助的功能。相位序列控制控制方法针对人体下肢不同活动的不同阶段设置好了辅助力的大小，能够实现多种辅助功能；但是，各相位辅助力参数设置复杂、难以实施，并且所设置的辅助力又比较固定，缺少灵活性，需要针对不同的用户进行个性化定制。基于预定步态的控制方法在获取到人的运动意图之后，根据当前关节活动状态与预定义的参考关节角度和参考角速度的偏差来调整辅助力矩，如果当前机器人活动状态与预定义的参考状态一致，则辅助力为零。基于预定步态的控制方法避免了相位序列控制方法为每个相位设定固定辅助力矩的局限性，能够根据机器人运行状态动态调整辅助力矩的大小；但是，对参考轨迹设计的要求较高，一条固定的参考轨迹难以适应不同的用户在不同环境状态下的辅助操作，而且在运动过程中无法针对用户的行走意愿对辅助力进行动态调节。灵敏度放大控制方法将人施加的力到外骨骼输出的传递函数定义为灵敏度函数，目标就是通过控制器的设计使得该灵敏度函数最大化，从而实现用很小的力就能改变外骨骼的动作。灵敏度放大控制方法不需要在人机之间安装传感器，仍然可以控制外骨骼跟随穿戴者运动，但是，严格依赖于外骨骼的逆动力学模型的准确性。

因此，针对现有的针对外骨骼助行机器人关节控制方法所存在的问题，需要提供一种在行走过程中能够对外骨骼机器人进行调节且实现用户与机器人之间的协调运动的人机交互控制方法。

发明内容

针对现有的针对外骨骼助行机器人关节控制方法所存在的问题，本发明实施例提供一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法。该基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法实现过程简单、控制过程中所需调整的参数个数较少且可以实现随动的控制效果。

该基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法的具体方案如下：一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法包括步骤：建立外骨骼机器人的腿部运动学模型，所述腿部包括第一腿和第二腿；在所述腿部运动学模型的基础上，设计支撑阶段的外骨骼机器人的支撑运动控制器模型；在所述腿部运动学模型的基础上，设计摆动阶段的外骨骼机器人的摆动运动控制器模型；根据所述第一腿和第二腿所处阶段的不同，分别采用支撑运动控制器模型或者摆动运动控制器模型相应地控制第一腿的运动或第二腿的运动。