[发明专利]一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统及其控制方法

说明书

本发明涉及外骨骼机器人控制领域，具体是一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统及其控制方法，包括用于反馈信息及系统规划信息的主控制器，还包括：左腿传感器检测模块/右腿传感器检测模块、左腿电机驱动模块/右腿电机驱动模块、左腿关节驱动模块/右腿关节驱动模块；其具体步骤如下：步骤一：引用临床步态分析CGA标准步态数据库人体关节步态数据；步骤二：将步态周期分为四个阶段；步骤三，判定所处步态周期阶段，通过对髋关节与膝关节液压系统的耦合设计，减小外骨骼驱动系统功率输出，同时弹簧与盘簧机构实现在外骨骼辅助人体行走时触地相和弹起相的变刚度驱动，提高液压系统能量分配与人体下肢行走匹配性。

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人控制领域，具体是一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统及其控制方法。

背景技术

随着人口老龄化加重、脑卒中人数增多、交通事故频发等原因，我国下肢运动功能障碍患者的数量越来越多。故可穿戴下肢外骨骼助力机器人作为一种能够辅助人体下肢运动的智能设备，成为社会发展的需求。

目前外骨骼机器人关节驱动方式主要采用电机驱动和液压驱动。其中，液压驱动主要以液压缸为执行器，以类似于人体肌肉的方式布置在下肢外骨骼中，使整体结构比较简洁。现阶段多数液压驱动式下肢外骨骼机器人采用单液压基站，即采用一个油箱和相应数量的泵、电机等液压元件构成一个液压系统，通常以背包的形式固定在外骨骼腰带上部，如中国专利申请号为201610777958.0的“一种外骨骼机器人用微型液压伺服系统”和中国专利申请号为201610728084.X的“一种可穿戴下肢外骨骼助力机器人”。单液压基站主要缺点是：1.油管及油管接头较多，增加油路泄露的风险；2.液压缸与伺服阀间油管过长，降低系统性能。另外，中国专利号为201510499515.5的“可穿戴式助力外骨骼下肢机构”和中国专利号为200980118130.2的“通过使用下肢外骨骼来减少人的能量消耗的设备和方法”中均采用蓄能器进行能量储存和能量供给。对于助力型下肢外骨骼机器人，采用蓄能器作为能量储存方式会增加其液压系统重量，为外骨骼实现无背包化增加困难。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统及其控制方法。

一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统，包括用于反馈信息及系统规划信息的主控制器，还包括：

左腿传感器检测模块/右腿传感器检测模块，通过位移及力传感器测量液压缸位移值及助力值，用作系统反馈；

左腿电机驱动模块/右腿电机驱动模块，通过电机控制泵流量，控制液压系统动力源输出；

左腿关节驱动模块/右腿关节驱动模块，通过控制各液压阀块，有序控制各液压执行元件。

所述的左腿关节驱动模块包括左腿单向电磁阀一、左腿单向电磁阀二、左腿比例节流阀、左腿伺服比例阀、左膝关节液压缸、左髋关节液压缸；所述的右腿关节驱动模块包括右腿单向电磁阀一、右腿单向电磁阀二、右腿比例节流阀、右腿伺服比例阀、右膝关节液压缸、右髋关节液压缸。

所述的左腿关节驱动模块的左膝关节液压缸和右腿关节驱动模块的右膝关节液压缸均采用能够实现关节驱动变刚度的弹簧与盘簧结构。

所述的左膝关节液压缸、左髋关节液压缸、右膝关节液压缸、右髋关节液压缸均包括左腿变刚度关节驱动系统和右腿变刚度关节驱动系统，该驱动系统包括液压动力模块。

一种用于外骨骼机器人的变刚度关节液压驱动控制系统的控制方法，其具体步骤如下：

步骤一：引用临床步态分析CGA标准步态数据库人体关节步态数据，通过虚拟样机分析软件，得到外骨骼进行标准步态行走时各关节液压缸对应位移数据，作为规划的步态数据；

步骤二：根据标准步态周期内，外骨骼髋关节及膝关节液压缸位移变化趋势，将步态周期分为四个阶段：