[发明专利]一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法

权利要求书

1.一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，获取并执行预设的控制程序；

步骤S2，获取用户股内侧肌、股外侧肌、半膜肌、半腱肌的表面肌电信号并进行滤波处理，将处理后的肌电信号代入肌肉骨骼模型，计算得到用户关节的扭矩和刚度；

步骤S3，根据用户关节的扭矩和刚度，生成关节的外骨骼的辅助扭矩和刚度；

步骤S4，根据设定的关节的外骨骼辅助扭矩，采用估计的用户主动参与度自适应的调节关节的外骨骼的参考刚度；

步骤S5，根据设定的关节的外骨骼参考轨迹，采用无扭矩传感器扭矩控制器对关节的外骨骼的辅助扭矩进行跟踪控制；根据设定的关节的外骨骼的参考刚度，采用闭环PID控制来实现关节的外骨骼刚度的跟踪控制；

步骤S6，重复步骤S2-S5的步骤直至辅助任务完成，实时调整外骨骼的辅助扭矩，使外骨骼的辅助扭矩与用户关节的需求扭矩方向一致，从而实现用户日常生活的运动辅助；实时调整关节的外骨骼的刚度以保证最优的关节的外骨骼的刚度，从而提高外骨骼对环境的适应能力；

所述步骤S2中将处理后的肌电信号代入肌肉骨骼模型，计算得到用户关节的扭矩和刚度具体为：

建立人体关节的肌肉骨骼模型：

，

其中，是肌肉肌腱力，η是肌肉与骨骼的夹角，是主动肌肉力，是被动肌肉力；

主动肌肉力和被动肌肉力为：

，

其中，和是与肌肉长度有关的函数，是归一化肌肉长度，是归一化肌肉速度，是与归一化肌肉速度有关的函数，是处理后的表面肌电信号，是最大肌肉力；

肌肉对关节的扭矩：

，

其中，是第i块肌肉对关节的扭矩，是第i块肌肉的肌肉力，是第i块肌肉的杠杆臂；

关节扭矩合成：

，

其中，下标Extensor表示伸肌的扭矩，Flexor表示屈肌的扭矩，表示伸肌的比例系数，表示屈肌的比例系数；

关节刚度计算：

，

其中和是常数。

2.根据权利要求1中所述的一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，其特征在于，所述步骤S3中生成关节的外骨骼的辅助扭矩和刚度方法为：

关节外骨骼的辅助扭矩：

，

其中ω是辅助比例系数；

关节外骨骼的刚度：

，

其中，是关节外骨骼膝的设置刚度，是关节的外骨骼的的最小刚度，是关节的外骨骼的最大刚度，是步行中的最大人体关节刚度，是实时估计的人体关节刚度。

3.根据权利要求1中所述的一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据设定的关节的外骨骼参考轨迹，采用无扭矩传感器扭矩控制器对关节的外骨骼的辅助扭矩进行跟踪控制为：

反馈扭矩通过外骨骼刚度和弹性偏角估计：

，

其中θ为关节的外骨骼由于外部负载而产生的弹性偏角；

控制方法采用闭环PID控制，电机工作在速度模式，控制输入为：

，

其中，为参考扭矩和估计扭矩的误差，，和是PID控制器的参数。

4.根据权利要求3中所述的一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，其特征在于，电机工作在速度模式，控制输入为：

，

其中，e₂(t)为参考刚度和估计刚度的误差，K_p2，K_i2和K_d2是PID控制器的参数。