[发明专利]基于ROS的仿真控制平台及外骨骼机器人仿真控制系统

权利要求书

1.一种基于ROS的仿真控制平台，其用于外骨骼机器人的仿真控制，其特征在于，所述基于ROS的仿真控制平台包括：

控制模块；

数据采集模块，其采集外骨骼机器人反馈的数据，并与所述控制模块数据传输；

仿真显示模块，其构建外骨骼机器人模型，并基于反馈的数据在所述控制系统的控制下，对所述外骨骼机器人模型进行仿真显示；

运动意图检测模块，其包括：若干运动意图检测单元，所述若干运动意图检测单元订阅所述外骨骼机器人反馈的数据，并进行人体运动意图识别。

2.根据权利要求1所述的基于ROS的仿真控制平台，其特征在于，所述数据采集模块借助具有的PCI-CAN板卡实时采集外骨骼机器人端的数据。

3.根据权利要求2所述的基于ROS的仿真控制平台，其特征在于，所述数据采集模块将采集的数据以ROS话题形式将其发布出去，同时订阅所述控制模块的关节控制信息，并将其发送给外骨骼机器人。

4.根据权利要求1所述的基于ROS的仿真控制平台，其特征在于，所述控制模块支持自定义外骨骼动力学数学模型或者开源三维物理仿真平台。

5.根据权利要求1所述的基于ROS的仿真控制平台，其特征在于，所述控制模块支持开源三维物理仿真平台时，按照如下步骤执行仿真控制流程：

将外骨骼三维结构图导入所述开源三维物理仿真平台，然后对构建的外骨骼机器人模型信息参数进行调整优化，同时借助开源三维物理仿真平台具有的控制算法节点，使用低阶控制算法对平台内的模型及实际系统进行控制仿真；

进行相关力矩深度控制算法的验证，同时在仿真平台内观测仿真运行效果，在完成控制算法验证后，借助发往下层外骨骼端的控制信息，在实际系统端进行在线算法验证测试；

算法验证通过后，基于实际系统的算力配置，自行构建外骨骼动力学优化模型，并在仿真平台进行对比验证。

6.根据权利要求1所述的基于ROS的仿真控制平台，其特征在于，所述PC仿真控制平台在外骨骼人机耦合运动过程中，将运动状态拆解为：左脚腾空右脚支撑状态、双脚支撑状态以及右脚腾空左脚支撑状态。

7.根据权利要求6所述的基于ROS的仿真控制平台，其特征在于，

单腿支撑动力学模型：

式中：

为外骨骼各杆件的动能之和；

为外骨骼各杆件的重力势能之和；

为外骨骼膝关节的弹性势能和；

L为拉格朗日函数，等于系统的总动能与重力势能、总弹性势能之差；

分别表征款膝踝关节的广义角速度；

分别表征矢状面及额状面系统的广义坐标；

分别表征款膝踝关节的合力，即关节电机驱动力和人机交互力。

8.根据权利要求7所述的基于ROS的仿真控制平台，其特征在于，

外骨骼支撑相的6连杆动力学方程为：

式中，表示矢状面内机器人的惯性张量阵；

是一个6x6 的科氏力和离心力矩阵；

是一个6 x1 的重力矩阵；

是弹性力矩阵；

，，分别表示 6x1维的广义位置，广义速度及广义加速度。

9.根据权利要求6所述的基于ROS的仿真控制平台，其特征在于，双脚支撑状态中，左右两髋关节的输出力矩可根据外骨骼整体重心在两脚着地点连线上的投影点到两脚之间距离,的比例分配:

,为外骨骼系统左右两髋关节所需总扭矩；

其他关节扭矩由5连杆动力学推导得出：

式中，为外骨骼各连杆的动能和，包含左右小腿、左右大腿、躯干；

为外骨骼各连杆的势能和，包含左右小腿、左右大腿、躯干；

Es为系统膝关节的弹性势能。

10.一种基于ROS的外骨骼机器人仿真控制系统，其特征在于，所述外骨骼机器人仿真控制系统包括：

下层外骨骼端、如权利要求1至9任一项所述的基于ROS的仿真控制平台；

所述下层外骨骼端包括：人体姿态传感模块、关节驱动电机模块以及交互力检测模块，所述基于ROS的仿真控制平台能够接收来自所述人体姿态传感模块和交互力检测模块反馈的数据；

所述人体姿态传感模块包括：设置于背部背架的六轴惯性测量传感、设置于左右腿膝关节处的角度传感器、设置于左右足底的压力传感器。