[发明专利]用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法

说明书

本发明提供一种用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法，具体实施过程为：S1、分析样本的特征信息，构建外层控制结构：设置外骨骼机器人的初始参考步态轨迹，并采集外骨骼机器人与样本的交互力矩；对初始参考步态轨迹进行修正，并输出相空间参考步态轨迹；重置初始参考步态轨迹并周期性地更新外层控制结构的输出。S2、基于S1的参考步态轨迹，构建内层控制结构：实时采集外骨骼机器人的关节角度、速度和加速度的数值；基于关节角度和参考步态轨迹，输出外骨骼机器人关节速度参考量。S3、基于S2的关节速度参考量，对外骨骼机器人的关节电机进行速度控制。本发明可以根据训练情况实时调整关节电机输出力矩，提升外骨骼机器人的柔顺性及训练效果。

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人领域，特别涉及一种用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法。

背景技术

随着机器人技术的发展，特别是外骨骼机器人在包括医疗、军工等各种领域都表现出了强大的实用性和发展潜力。

但是传统的外骨骼机器人只能局限于特定的工作内容，其运动轨迹是在使用前预先规划好的，尽管在处理固定场景任务时能满足要求，但缺少灵活性，用户只能被动的进行运动或训练，缺乏主动参与，一旦任务目标更改或外骨骼用户自身运动状态改变，则会无法完成预定任务或训练目标，并且外骨骼机器人与用户之间柔顺性能很差，严重时甚至会造成不必要的损伤，尤其是对于下肢外骨骼用户来说，一旦用户存在与外骨骼机器人相斥的力，外骨骼机器人就会强迫用户跟随，很容易造成用户失衡、甚至跌倒，训练效果不理想。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法，利用内外双层的控制结构，通过外层控制结构采集样本的特征，为不同样本或者同一样本不同训练目标，提供合理的初始步态参考，并通过测量样本与外骨骼之间的主动交互力矩信息，对初始步态参考进行调整；通过内层采集样本的关节角度和速度信息，通过在相空间内的矢量合成，将控制量转变为关节速度值，在外层的基础上，进一步增强了训练效果，并实现了目标可调，同时采用速度控制，提高了系统的整体顺畅度及柔顺性。

本发明提供了一种用于下肢外骨骼机器人的分层式控制方法，具体实施步骤如下：

S1、分析样本的特征信息，构建外层控制结构，并输出在关节相空间下的外骨骼机器人参考步态轨迹，具体包括以下子步骤：

S11、设置外骨骼机器人的初始参考步态轨迹，并采集外骨骼机器人与样本的交互力矩，其包括以下子步骤：

S111、分析样本客观生理特征并结合训练目标，设置外骨骼机器人初始参考步态轨迹，通过选择轨迹参数a_i、c_i、d_i对外骨骼机器人初始参考步态轨迹进行参数化，具体表达式如下：

其中，为符合目标客观生理特征的外骨骼机器人初始参考步态轨迹，表示一个完整运动周期内各关节角度随时间的变化，参数a_i表示缩放轨迹振幅，参数c_i能改变并影响目标运动的周期，参数d_i改变外骨骼机器人各关节屈曲和伸展的量，i＝1表示外骨骼机器人第一关节，i＝2表示外骨骼机器人第二关节；

S112、在一个完整运动周期内，采集外骨骼机器人与样本的交互力矩，并存储；

S12、基于步骤S11得到的外骨骼机器人初始参考步态轨迹，对外骨骼机器人初始参考步态轨迹进行修正，并输出关节相空间的外骨骼机器人参考步态轨迹，其包括以下子步骤：

S121、根据外骨骼机器人的结构，利用拉格朗日法推导出外骨骼机器人的动力学模型；