[发明专利]基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法及系统

权利要求书

1.一种基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法，其特征在于，包括：

步骤1：建立人体下肢简化骨骼肌肉模型；

步骤2：基于肌肉协同理论确定人体下肢运动肌肉激活基元；

步骤3：基于下肢简化骨骼肌肉模型和人体下肢运动肌肉激活基元建立下肢运动肌肉激活强度的数学映射模型；

步骤4：根据数学映射模型设计比例微分控制器；

所述下肢简化骨骼肌肉模型包括骨骼模型和肌肉模型；

所述骨骼模型包括躯干部分、左侧大腿、左侧小腿、左侧脚、右侧大腿、右侧小腿和右侧脚；所述躯干部分包括头部、手臂和躯干；

所述骨骼模型包括六个自由度：髋关节屈曲/伸展，膝关节屈曲/伸展，踝关节跖屈/背屈在矢状面的旋转自由度；

所述肌肉模型包括九块肌肉实现下肢的运动；

其中，有六块单关节肌肉，分别为髂腰肌IL对应髋关节屈曲，臀大肌GM对应髋关节伸展，股外肌VA对应膝关节伸展，股二头肌短头BFS对应膝关节屈曲，胫骨前肌TA对应踝关节背屈，比目鱼肌SO对应踝关节跖屈；

有三块多关节肌肉，分别为股直肌RF对应髋关节屈曲和膝关节伸直，股二头肌长头BFL对应髋关节伸展和膝关节屈曲，腓肠肌GC对应膝关节背屈和踝关节跖屈；

所述肌肉模型的关节周围肌肉的力矩是恒定的，与关节角度无关。

2.根据权利要求1所述的基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法，其特征在于，提出人体下肢运动肌肉协同算法，包括：人类自然运动时，下肢各肌肉按时序进行不同强度的激活，即人类运动时，下肢运动模式可以分解为一组子运动模式的在时域上的线性叠加；

构建5个下肢运动肌肉激活基元，通过在时域上线性组合得到生活场景中的运动模式，包括：

模式1：激活臀大肌、股外肌和胫骨前肌；

模式2：激活腓肠肌和比目鱼肌；

模式3：激活髂腰肌、股直肌、股二头肌短头和腓肠肌；

模式4：激活股外肌和胫骨前肌；

模式5：激活臀大肌、股直肌、股二头肌长头和股二头肌短头。

3.根据权利要求1所述的基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述肌肉激活基元在下肢简化骨骼肌肉模型上的数学表述为：

其中，p_i表示第i种基本激活模式的峰值，表示脉冲在当前步态周期中的相位，Φ_i为p_i的起始相位，Δ_i为p_i的相位变化；

每块肌肉的实际输出表示为：

其中，m为九块肌肉中的任一块肌肉，Λ_i为不同步态和速度的振幅调整参数,ω_m,i为五个激活脉冲的运动神经元的加权系数，所述肌肉实际输出力的方向为肌肉实际收缩的方向；

通过反馈控制调节躯干的俯仰平衡，表述为：

其中，θ是躯干俯仰角，是躯干俯仰角速度，k_m，σ_m是调节系数，表示期望的躯干俯仰角度，表示反馈控制中躯干俯仰角及角速度的反馈量；

通过反馈控制来增加脚踝的下垂速度，当实际速度高于期望速度时，通过抑制站立小腿的脚踝处的单关节肌肉来减小蹬地力量，表述为：

其中，v是当前运动速度，是期望运动速度，λ_m是调节系数，是反馈控制中脚踝下垂速度的反馈量；

人类的运动控制发生在脑干和小脑处，命令信号存在相应的时间上的滞后，滞后输出表述为：

其中，τ是脑干和小脑处接收躯体感觉信息传输并将运动命令发送到脊髓的时间滞后。

4.根据权利要求3所述的基于肌肉协同理论的柔性外骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述数学映射模型表述为：