[发明专利]一种具有动态负载补偿的上肢外骨骼协同控制方法

说明书

本发明公开了一种具有动态负载补偿的上肢外骨骼协同控制方法，本发明利用负载对上肢外骨骼的广义力和其对应的雅各比矩阵得到补偿负载影响所需的关节力矩τ_load；通过逆动力学得到上肢外骨骼自重引起的关节力矩τ_g，利用人与上肢外骨骼间的相互作用力和其对应的雅各比矩阵得到人机作用力映射到关节空间的力矩τ_h，利用最终关节力矩τ对上肢外骨骼各关节进行控制，其中，τ＝τ_g+τ_load+τ_h，然后对人与外骨骼之间的相互作用力f_hr进行测量，当f_hr不为0时，通过直接力控制器和PID控制器对τ进行反馈补偿，能够实时补偿负载导致的人机作用力。

技术领域

本发明属于外骨骼机器人的技术领域，具体涉及一种具有动态负载补偿的上肢外骨骼协同控制方法。

背景技术

机器人外骨骼系统是一种人机协作系统，可增强佩戴者在各种环境中的力量。人类操作者仅负责机器人的位置控制，力控制和运动信号生成。该系统是机械结构的形式，其与人体的外部结合以改善佩戴者的肌肉力量。目前正在研究各种行业的应用，包括工业应用，医疗康复等领域。

由于现有的上肢外骨骼控制器直接通过人机间的相互作用力来进行直接力控制，针对负载重量过大、人机之间作用力随负载重量增加而增加等问题存在着严重的不足。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有动态负载补偿的上肢外骨骼协同控制方法，能够实时补偿负载导致的人机作用力，使穿戴者忽略负载重量以相同的力对不同重量的负载进行操作，实现了人机作用力最小化，达到人机协同的控制目的，为全身外骨骼的平衡控制奠定基础。

实现本发明的技术方案如下：

一种具有动态负载补偿的上肢外骨骼协同控制方法，利用负载对外骨骼的广义力和其对应的雅各比矩阵得到补偿负载影响所需的关节力矩τ_load，通过逆动力学得到上肢外骨骼自重引起的关节力矩τ_g，利用人与上肢外骨骼间的相互作用力和其对应的雅各比矩阵得到人机作用力映射到关节空间的力矩τ_h，利用最终关节力矩τ对上肢外骨骼各关节进行控制，其中，τ＝τ_g+τ_load+τ_h，然后对人与外骨骼之间的相互作用力f_hr进行测量，当f_hr不为0时，通过直接力控制器和PID控制器对τ进行反馈补偿。

进一步地，上肢外骨骼对负载的承载方式为固定承载。

进一步地，负载对上肢外骨骼的广义力通过六维力/力矩传感器测得。

进一步地，分别在上肢的握把处、上肢外骨骼的肘关节与末端执行器之间设置两个六维力/力矩传感器。

进一步地，各关节的角度信息通过设置在各关节处的角度传感器测得。

进一步地，