[发明专利]基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制系统及方法

权利要求书

1.一种基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制系统，其特征在于：包括控制器、泵驱动电机驱动器、微小液压系统以及传感测量装置；所述控制器的输入端与传感测量装置连接，实现控制算法解算，其输出端与泵驱动电机驱动器连接，输出控制信号到泵驱动电机驱动器；所述泵驱动电机驱动器与微小液压系统连接，用于驱动液压泵驱动电机运动来驱动液压缸动作；

所述微小液压系统为控制系统的执行装置，实现驱动与传动功能，包括了油箱、液压缸、液压泵、泵驱动电机、液控单向阀；液压泵两侧分别与液压缸的有杆腔和无杆腔连接，通过液压泵正、反转实现液压缸伸缩运动，通过液压泵调速控制实现液压缸伸缩速度控制；液压缸的有杆腔和无杆腔分别通过液控单向阀与油箱连接，通过液控单向阀提供液压缸补油和排油的控制通路；液压缸的有杆腔和无杆腔分别通过溢流阀与油箱连接，通过溢流阀实现液压系统安全防护；液压泵与泵驱动电机同轴装配连接，通过泵驱动电机带动液压泵旋转运动提供进油、排油动力源；

所述传感测量装置实现控制系统状态监测与状态反馈，它包括拉压力传感器、转速编码器以及行程电位计；拉压力传感器安装于人机绑带连接处，采集人机之间的交互力并将交互力信号发送到控制器；转速编码器与泵驱动电机同轴连接，测量液压泵转速信号并将其发送给控制器；行程电位计安装于液压缸末端，测量液压缸行程位移信号并将其发送给控制器；

所述控制器包括阻抗控制器、位置控制器及泵转速控制器，分别实现有阻抗控制算法、位置控制算法以及泵转速控制算法；所述阻抗控制器通过动态调整人机交互力与人机相对位置之间的关系来实现人机协调柔顺运动，阻抗控制器的输入为人机交互力，经过阻抗控制算法解算输出液压缸给定行程偏差信号，该液压缸行程偏差信号输入到位置控制器；位置控制器实现液压缸位置伺服控制，其参考输入为既定位置轨迹与阻抗控制器输出的行程偏差信号之间的加和，其反馈输入为电位计输出的位置信号，经过位置控制算法解算输出泵转速控制参考信号，该控制参考信号输出到泵转速控制器；所述泵转速控制器实现液压泵转速伺服控制，其参考输入连接到位置控制器输出端，其反馈输入连接到泵转速编码器，经过泵转速控制算法解算，输出PWM控制信号给到泵驱动电机驱动器；

所述泵驱动电机驱动器采用三相逆变电路，通过对泵驱动电机驱动来实现液压泵启停以及调速控制，其输入为泵转速控制器输出的PWM信号，其输出的三相功率信号连接到泵驱动电机三相绕组上。

2.一种基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制方法，其特征在于，控制方法基于权利要求1所述的基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制系统，包括如下步骤：

步骤1、阻抗控制器采集人机交互力数据F_c，经过阻抗控制算法，输出液压缸给定行程偏差信号e，阻抗控制算法表示为：

其中K_d为阻尼控制参数，K_ε为刚度控制参数；

步骤2、液压缸位置伺服控制的参考轨迹为既定节液压缸运动参考轨迹L_ref和阻抗控制器输出的液压缸给定行程偏差信号e之间的加和，即

L_d＝L_ref+e；

步骤3、控制器采集电位器输出髋关节液压缸位置信号L，与髋关节液压缸动作参考轨迹值L_d做差，得到位置偏差ΔL，此偏差信号通过位置控制算法，解算得到液压泵转速参考信号n_d，位置控制算法表示为：

其中K_lp为位置控制器比例控制参数，K_li为位置控制器积分控制参数，K_ld为位置控制器微分控制参数；

步骤4、控制器采集转速编码器输出的泵转速信号n，与位置控制输出的液压泵转速参考信号n_d做差，得到转速偏差Δn，该偏差信号通过转速控制算法，解算出泵驱动电机驱动控制信号U_out，液压泵转速控制算法表示为：

其中K_np为液压泵转速控制器的比例控制参数，K_li为液压泵转速控制器的积分控制参数，K_ld为液压泵转速控制器的微分控制参数；

步骤5、电机驱动器控制信号U_out折算成相应的PWM占空比信号并给到电机驱动器上；

步骤6、控制器向电机驱动器发出控制使能信号，驱动器输出三相功率信号作用到泵驱动电机上，液压泵驱动液压油推动油缸动作，完成整个闭环控制。