[发明专利]一种电机驱动的力-功率控制装置、方法及外骨骼系统

说明书

本发明公开了电机驱动的力‑功率控制装置、方法及外骨骼系统，属于外骨骼控制技术领域。控制装置应用于外骨骼，包括信息获取单元、通信单元和处理单元。信息获取单元用于获取驱动电机当前时刻的输出力矩信号和输出角速度信号。通信单元用于接收输出力矩信号和输出角速度信号。处理单元配置有驱动电机的第一期望力矩曲线和第一期望角速度曲线。处理单元在接收到驱动电机的当前时刻的输出力矩信号和输出角速度信号的情况下，确定驱动电机下一时刻应当输出的第一期望力矩M_e1以及第一期望角速度ω_e1。处理单元内还配置有驱动电机的预设力矩M_p和预设角速度ω_p。当M_e1M_p或ω_e1ω_p时，处理单元生成力控制指令；当M_e1≥M_p且ω_e1≥ω_p时，处理单元生成功率控制指令。

技术领域

本发明涉及外骨骼控制技术领域，尤其涉及一种电机驱动的力-功率控制装置、方法及外骨骼系统。

背景技术

外骨骼系统是典型的人机智能系统，其一般包括外骨骼以及用于控制外骨骼与人体协同运动的控制装置。上述外骨骼在控制装置的控制回路里，将人的智能和外骨骼的负载能力相结合，实现对人体能力的增强。基于此，其控制装置的设计必须考虑人的因素。也就是说，人机(此处的人机可以理解为人与外骨骼)协同实时控制技术是外骨骼系统的关键技术之一，其要解决的关键问题是使外骨骼与人的运动高度一致，在确保人机协同一体的情况下，实现柔顺助力。

传统的外骨骼系统的助力控制方式主要包括位置控制、力控制和力-位混合控制。其中，力-位混合控制只是在不同的时刻进行切换，因此，在同一时刻也是单一的控制方式，也就是说，在同一时刻可控的实施力控制或位置控制，而在不同的时刻(可以定义为当前时刻和下一时刻)则根据期望助力需求进行力控制和位置控制的切换。

具体的，力-位混合助力控制的控制策略为利用位置传感器或者力/力矩传感器的信号作为反馈，对电机驱动的位置输出或者力矩输出进行跟踪，也就是说，对于电机驱动的输出跟踪为单一输出跟踪。而外骨骼的驱动输出需要同时满足力矩输出和位置输出才能够实现实时助力，若只有位置输出，则不柔顺，若只有力矩输出，则不协同，影响助力性能。

现有技术提供的力-位混合助力控制，一般电机驱动的控制输入通常是单一输入(电压输入)，在负载变化的条件下，要想输出同时具有良好的力矩特性和转速特性，混合助力控制难以做到。为了获得良好的力矩特性和转速特性，现有技术提供一种同时对电机定子和转子的电流进行控制的方法，控制方法相对复杂，控制器设计和调试比较麻烦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机驱动的力-功率控制装置、方法及外骨骼系统，解决驱动电机在单一输入的情况下，能够保证同时输出力矩特性和转速特性，以提高外骨骼助力性能以及助力的柔顺性。

第一方面，为了实现上述目的，本发明提供了一种电机驱动的力-功率控制装置，电机驱动的力-功率控制装置应用于外骨骼，外骨骼具有驱动电机和由驱动电机驱动的关节。

电机驱动的力-功率控制装置包括：

信息获取单元，信息获取单元用于获取驱动电机当前时刻的输出力矩信号和输出角速度信号；

通信单元，通信单元用于接收驱动电机的输出力矩信号和输出角速度信号；