[发明专利]骨骼机器人负载模型建模建立方法

权利要求书

1.一种外骨骼机器人负载模型建模方法，其特征在于，其步骤包括：

S100：参数设定，设电枢绕组的电感为L_a，电枢绕组的电阻为R_a，电枢电压为u_a，流过电枢的电流为i_a，电机轴的角速度为Ω，电机轴转角为θ；

S200：参数计算；

对电枢回路，根据基尔霍夫电压定律可得：

式中为电枢反电动势，其大小与励磁磁通及转速成正比，方向与电枢电压u_a相反，K_e为反电动势系数；

电动机其电磁转矩方程为

M＝K_mi_a

其中K_m为电动机转矩系数，M为电枢电流产生电磁转矩；

电机轴上转矩平衡方程

其中：

J为折算到电机轴上的等效转动惯量，若电机转轴自身转动惯量为J_M，负载折算到电机转轴的转动惯量为J_ML，则J＝J_M+J_ML；

B为折算到电机轴上的粘性摩擦系数，若电机转轴自身转动粘性摩擦系数为B_M，负载折算到电机转轴的粘性摩擦系数为B_ML，则B＝B_M+B_ML；

M_L为电机轴上的转矩，即负载力矩；

由以上电机运动方程消去中间变量M,i_a,E_a，可以得到：

记

则

上式即为电枢控制直流电动机微分方程，其输入量为电枢电压u_a和负载转矩M_L，输出为电机轴转速Ω，u_a为控制输入，M_L为扰动输入；

当以电机轴转角为θ作为输出量时，带入关系可以得到以转过角度作为输出时的微分方程为：

2.根据权利要求1所述的外骨骼机器人负载模型建模方法，其特征在于，所述负载模型建模之前还包括一个运动负载输入步骤，所述运动负载输入包括软件建模计算和数学动力模型求逆计算；

软件建模计算，外骨骼机器人机械结构设计好后，通过加入关节驱动输入，包括角度、角速度和角加速度等，结构运动起来后可以得到关节负载扭矩；该计算方法需要提前建立机械结构仿真模型，并能实现几种动作模式要求；

数学动力模型求逆计算，通过拉尔朗日建立多连杆机械数学模型，此时的模型参数一定要按照实际机械结构设计需要设定；机械系统的拉格朗日动力学模型为：

其中q＝[q₁ q₂ q₃]^T，H(q)为惯性矩阵，是Coriolis项，G(q)是重力项，Τ＝[T₁ T₂T₃]表示作用在骨骼服上的合外力矩，T₁表示踝关节力矩，T₂表示膝关节力矩，T₃表示髋关节力矩；H(q)，G(q)的具体形式如下

H₁₁(q)＝I_t+I_ub+m_sL_Gs²+m_tL_s²+m_tL_Gt²+m_ubL_s²+m_ubL_t²

+m_ubL_Gub²+2m_tL_GtL_s cos(q₂)+2m_ubL_tL_s cos(q₂)

+2m_ubL_GubL_t cos(q₃)+2m_ubL_GubL_scos(q₂+q₃)

H₁₂(q)＝I_t+I_ub+m_tL_Gt²+m_ubL_t²+m_ubL_Gub²+2m_ubL_GubL_t cos(q₃)+m_ubL_t cos(q₂)+m_tL_GtL_s cos(q₂)+m_ubL_GubL_s cos(q₂+q₃)

H₁₃(q)＝I_u+m_ubL_Gub²+m_ubL_GubL_t cos(q₃)+m_ubL_GubL_s cos(q₂+q₃)

H₂₁(q)＝I_t+I_ub+m_tL_Gt²+m_ubL_Gub²+m_ubL_t²+m_tL_GtL_scos(q₂)

+m_ubL_sL_t cos(q₂)+2m_ubL_GubL_t cos(q₃)

+m_ubL_sL_Gub cos(q₂+q₃)

H₂₂(q)＝I_t+I_ub+m_ubL_t²+m_tL_Gt²+m_ubL_Gub²

+2m_ubL_GubL_t cos(q₃)

H₂₃(q)＝I_ub+m_ubL_Gub²+m_ubL_GubL_t cos(q₃)

H₃₁(q)＝I_ub+m_ubL_Gub²+m_ubL_GubL_t cos(q₃)

+m_ubL_GubL_s cos(q₂+q₃)

H₃₂(q)＝I_ub+m_ubL_Gub²+m_ubL_GubL_t cos(q₃)

H₃₃(q)＝I_ub+m_ubL_Gub²

G₁(q)＝-m_ubgL_s sin(q₁)-m_ubgL_t sin(q₁+q₂)

-m_ubgL_Gub sin(q₁+q₂+q₃)-m_tgL_s sin(q₁)

-m_tgL_Gt sin(q₁+q₂)-m_sgL_Gs sin(q₁)

G₂(q)＝-m_ubgL_Gub sin(q₁+q₂+q₃)-m_tgL_Gt sin(q₁+q₂)

-m_ubgL_t sin(q₁+q₂)

G₃(q)＝-m_ubgL_Gub sin(q₁+q₂+q₃)

通过各种动作模式下步态运动输入，关节位姿、角速度、角加速度作为已知量，代入到系统拉格朗日模型中，就可以近似得到各关节负载扭矩。