[发明专利]一种外骨骼装置及外骨骼变导纳控制方法

说明书

本发明公开一种外骨骼装置及外骨骼变导纳控制方法，应用于外骨骼机器人领域，本发明的外骨骼装置采用弯曲的刚性结构机械臂构成，并在关节处配备机械硬限位和光电软限位，当外骨骼系统的运动范围超出设定的安全区间时，刚性限位柱将会遮挡红外光电传感器从而产生了软限位信号，当光电软限位没有达到保护效果时，通过刚性限位柱进行机械硬限位，从而保障操作者的安全；本发明还建立了基于虚拟阻尼和虚拟刚度的导纳模型，并设计了不同频率下的导纳调整策略；以变导纳控制器作为力控制外环，反步控制器作为位置控制内环，对设计的外骨骼装置进行控制；实现了对外骨骼装置的变导纳控制，有效减小人机交互力，提高了助力效果。

技术领域

本发明属于外骨骼机器人领域，特别涉及一种外骨骼机器人的机械机构设计方法及变导纳控制技术。

背景技术

外骨骼作为一种将人的智慧与机械的力量结合起来的人机一体化装置，能够通过操作者的简单控制使机械提供的强大动力被人体运用，使操作者能够完成自身无法完成的任务。而下肢外骨骼作为一种辅助行走装置，它将外骨骼的机械结构和人的双腿耦合在一起，通过人体控制、外部供能的方式使自身行动不便或无法行走的操作者可以自主行走。并且可以设计不同的步态、步速来适应不同残疾状况的病人，提高治疗效果。外骨骼主要由以下几个部分组成：(1)机械结构部分。负重外骨骼由于其负重功能的要求，多采用髋+膝+踝结构，而康复外骨骼由于多用于病患，需减少关节的活动，因此多采用髋+膝的结构。机械结构多为质量轻，强度大，抗疲劳的材料，如铝合金、钛合金、纳米材料等；(2)动力系统。外骨骼的动力系统主要为外骨骼的助力提供动力来源，提供动力的方式可以是液压，电机，气动等；(3)传感器系统。外骨骼的传感器系统主要用来获取人机交互过程中各种信号，用以判断人体步态或运功意图；(4)控制系统。通常利用Matlab/Simulink等软件实现所提出的控制算法及相关方法后，在下载到相应的硬件控制器中；

导纳控制的基本原理是：导纳控制是pHRI(物理人机交互)中广泛采用的一种保证机器人柔性行为的方法。通过测量机器人与环境的交互力，通过虚拟模型动力学改变低层运动控制器的设定值，以实现一些首选的交互响应行为。

随着外骨骼机器人在工程领域中的应用日益扩大，传统的控制策略在不考虑操作者运动意图的情况下，将操作者的下肢引导到预定的轨迹上，降低了用户的主动性，而导纳控制将外骨骼和环境的交互力通过导纳模型，生成底层运动控制器的参考轨迹，可以实现更加柔顺的交互。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种外骨骼控制器及基于其的外骨骼装置。

本发明采用的技术方案为：一种外骨骼控制器，包括：用于内环位置控制的反步控制器、用于外环力控制的导纳控制器；

所述反步控制器的构建过程为：

A1、获取外骨骼的状态空间模型；

A2、根据步骤A1的状态空间设计反步控制器；

所述导纳控制器的构建过程为：

B1、建立基于关节坐标系的导纳模型；

B2、基于实时步进频率的可变导纳调整策略调整导纳模型，得到导纳控制器。

步骤B2所述基于实时步进频率的可变导纳调整策略的计算过程为：

C1、计算基于步进频率的稳定性评价指标；

C2、计算基于步进频率的人机交互评价指标；

C3、根据步骤C1的基于步进频率的稳定性评价指标与步骤C2的基于步进频率的人机交互评价指标，计算基于步进频率的穿戴舒适度指标；

C4、采用不同尺度因子固定导纳控制器在不同步频下进行测试实验；

C5、统计测试实验结果获取不同步频下的最优穿戴舒适度指标所对应的尺度因子；