[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

说明书

本发明公开了一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，所述控制方法的步骤为：1)首先将预处理后的表面肌电信号代入肌肉骨骼模型计算得到人体关节的估计扭矩和刚度；2)根据估计的人体关节扭矩和刚度设置外骨骼的辅助扭矩和刚度；3)利用变刚度关节的弹性特性，实现外骨骼关节的扭矩和刚度控制。本发明的控制方法不仅可以根据用户的志愿有效控制外骨骼的辅助扭矩，而且可以根据用户的运动行为实时调整刚度；扭矩辅助的方法不需要设定参考轨迹，也不需要额外的扭矩传感器，满足用户不同运动模式下的辅助需求；变刚度控制则可以提高外骨骼对环境的适应能力，并提高外骨骼与用户的交互柔顺性。

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法。

背景技术

我国已经进入老龄化社会，由于年龄疾病而导致的下肢运动功能障碍的群众与日俱增。下肢运动功能障碍已经严重影响了他们的日常生活，并给他们的家庭带来的巨大的经济和精神负担。外骨骼机器人是一种令人兴奋的潜在解决方案，可以帮助运动功能障碍患者恢复日常活动。

传统的外骨骼机器人通常由高减速比的电机配合减速器驱动，可以实现精确的位置控制。但是，由于高的减速变通常会导致高的反向驱动阻抗，使得用户难以反向驱动外骨骼机器人。特别在传感器发生故障的情况下，难以保证用户的安全。目前研究的变刚度外骨骼因其变刚度的特性，可以适应复杂的任务，并且具有高的交互柔顺性和安全性而备受青睐。

与此同时，传统的外骨骼控制通常采用精确的轨迹控制、基于参考轨迹的阻抗控制、以及导纳控制，这在外骨骼的康复训练中被证明是有效的。但是，在用户的日常行走中，用户的运动轨迹并不是固定的，这种预设轨迹式的控制策略并不适合辅助用户的日常生活。此外，由于变刚度外骨骼的变刚度特性使得控制更加复杂，如何有效的结合外骨骼的变刚度特性来提高外骨骼的性能也是目前的研究难点。因此，需要进一步开发用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，以实现下肢运动功能障碍患者的日常生活辅助。

在申请号为201910574269.3的中国专利申请中，公开了一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，其通过检测髋关节和膝关节的关节角度和角速度来判断用户的步态阶段，在摆动相构建理想的膝关节和髋关节协调轨迹曲线，通过PD控制器来使外骨骼跟踪理想曲线轨迹，以协调用户的步态。但是其外骨骼采用固定的预设轨迹，只适合用户特定的步行场景。

在申请号为201510502174.2的中国专利申请中，公开了一种降阶的单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制的方法，其采用级联力控制方法，上层控制器通过测量交互力传感器来生成外骨骼关节的参考轨迹，下层控制器实现对参考轨迹的跟踪。外骨骼的参考轨迹可以根据用户的运动实时更改，但交互力传感器测得信号与用户的运动意图仍存在一定的延迟，外骨骼与用户存在额外的交互力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，外骨骼可以根据用户的志愿主动提供扭矩辅助，并实时调整关节刚度，实现对用户日常生活的运动辅助。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种用于变刚度外骨骼的志愿柔顺辅助控制方法，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；