[发明专利]一种基于滑模阻抗的上肢外骨骼控制方法

说明书

本发明公开了一种基于滑模阻抗的上肢外骨骼控制方法，包括采集上肢外骨骼的运动信息，根据采集的信息对运动特性进行分析，建立上肢外骨骼的运动学方程，并构建动力学模型，运动学模型中数据以正弦曲线作为输入，传输至滑模阻抗控制模块中，结合上肢外骨骼的Adams动力学模型，优化输入曲线，对上肢外骨骼的运动进行控制，利用了阻抗控制模块可以计算出人机交互力的大小的特性，结合滑模控制模块，不仅具有较好的鲁棒性，也能够计算控制人机交互力，实现上肢外骨骼准确的跟随人体上肢的运动，并且能够实现上肢外骨骼的柔顺控制，使得穿戴者在穿上之后不仅能够安全、自由、舒适的进行运动，并且能够有效的提高人体上肢的作业能力和运动能力。

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，具体为一种基于滑模阻抗的上肢外骨骼控制方法。

背景技术

上肢作为人体最重要的部分之一，在进行各项运动和作业时，上肢处于持续工作的状态，因而实现对上肢外骨骼的助力可以有效的提高人体的运动能力和作业能力，上肢助力外骨骼不同于上肢康复外骨骼，助力外骨骼的使用人群是四肢健全并且健康的人群，而不是具有残疾或偏瘫患者等无法正常运动的人群，所以不仅要考虑到上肢的跟踪效果，同时也要考虑到穿戴者的舒适性。

目前外骨骼的控制有采用预编程技术实现外骨骼运动，采用预编程技术实现的运动方式有限，而人的运动方式是随时发生改变的，不能准确的跟踪人体上肢的运动，影响穿戴者穿戴的舒适度，所以急需一种基于滑模阻抗的上肢外骨骼控制方法来解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种能准确的跟踪人体上肢的运动，使得穿戴者在穿上之后不仅能够安全、自由、舒适的进行运动的基于滑模阻抗的上肢外骨骼控制方法，可以有效解决上述背景技术中提出现有技术中，通过预编程技术实现外骨骼运动导致不能准确的跟踪人体上肢的运动，影响穿戴者穿戴的舒适度的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于滑模阻抗的上肢外骨骼控制方法，包括如下步骤：

S1、采集上肢外骨骼的运动信息；

S2、根据采集的信息对运动特性进行分析，建立上肢外骨骼的运动学方程，并构建动力学模型，其中，运动学模型用以提供运动及作业动力学数据库；

S3、建立上肢外骨骼的Adams动力学模型；

S4、运动学模型中数据以正弦曲线作为输入，传输至滑模阻抗控制模块中，结合上肢外骨骼的Adams动力学模型，输出肩关节和肘关节的角度及角速度的跟踪曲线，并将输出的曲线作为反馈与输入的曲线进行比较，优化输入曲线，对上肢外骨骼的运动进行控制。

具体的，在步骤S1中，对上肢外骨骼运动信息采集包括，在肩关节和肘关节处设惯性传感器，通过惯性传感器采集肩关节和肘关节的角度、角速度以及角加速度信息，通过拉压力传感器测量的人机交互力信号。

具体的，所述肩关节由七种基本运动复合而成，肘关节为两个自由度的运动。

具体的，步骤S2中，对运动特性进行分析，具体为，分析人体上肢的运动机理，归纳出人体上肢的典型动作和基本运动形式，并对各个关节的自由度进行分析。

具体的，在步骤S2中，还包括对上肢外骨骼空间位置和姿态之间关系进行分析，通过D-H法分析上肢外骨骼所处的坐标系相较与基坐标系的变换矩阵，从而建立起上肢外骨骼的运动学方程，并采用拉格朗日法对上肢外骨骼进行动力学建模。

具体的，在步骤S4中，滑模阻抗控制模块包括阻抗控制模块和滑模控制模块；

阻抗控制模块接收正弦曲线输入信号，并输出控制力矩，对上肢外骨骼的运动进行控制；

将输出的曲线作为反馈与输入的曲线进行比较产生的偏差，作为输入信号，输入到滑模控制模块中，滑模控制器会根据偏差信号在进行一次控制。