[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

说明书

本发明涉及基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制系统及方法，系统包括控制器、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。本发明实现了电液驱动单元主动柔顺控制，提高了外骨骼机器人与穿戴者之间动作协调性。

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，涉及一种基于阻抗控制的外骨骼机器人电液伺服控制系统及控制方法。

背景技术

外骨骼机器人是智能化的人机交互系统，它为穿戴者提供支撑和防护，有效增强人体负重能力与耐力，在单兵机动作战、抢险救援、康复医疗以及民事应用领域(包括建筑作业、装配作业)具备广阔的应用前景。

驱动单元为穿戴者提供直接辅助力矩支撑，液压驱动以其具有的功率密度大、抗干扰能力强、能承受较大的冲击和过载等优点广泛应用于重载机动型外骨骼系统，例如美国的BLEEX、HULC和XOS外骨骼系统，以及中国兵器工业202所单兵外骨骼。然而现有基于位置控制的液压驱动方式使得外骨骼机器人与穿戴者之间动作不协调，一方面限制了外骨骼人机系统机动能力，另一方面可能会给穿戴者造成人身伤害，严重影响了液压驱动外骨骼机器人的工程化应用。

针对人机运动相互干涉、不协调问题，一些学者尝试在外骨骼与穿戴者之间增加柔性绑带以及在液压活塞杆上装配串联弹性装置(SEA)，但是这两种方案不能从根本上解决液压驱动外骨骼关节与人体关节之间运动不一致的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可实现电液驱动单元主动柔顺控制，可提高外骨骼机器人与穿戴者之间动作协调性的外骨骼机器人电液伺服控制系统及控制方法。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

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；