[发明专利]助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统及其控制方法，其特征是包括传感器模块、信号采集与处理模块、步态切换运动控制模块、电机驱动模块；传感器包括：惯性测量单元、足底压力传感器和电机编码器。本发明能在满足外骨骼机器人负载重物情况下，规划各相位步态下髋关节和膝关节电机助力力矩的输出和各相位步态之间的流畅切换，达到负重外骨骼装备肢体动作的协调性和灵活性的目的。

主权项

1.一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制方法，其特征是按如下步骤进行：步骤1、获取左腿髋关节直流伺服电机编码器值、左腿膝关节直流伺服电机编码器值、右腿髋关节直流伺服电机编码器值、右腿膝关节直流伺服电机编码器值，并进行脉冲与角度换算关系计算，得到左右腿髋关节和膝关节的变化角度值，包括：外骨骼装置左腿髋关节变化角度值、外骨骼装置左腿膝关节变化角度值、外骨骼装置右腿髋关节变化角度值、外骨骼装置右腿膝关节变化角度值；所述步骤1中，脉冲与角度换算关系的计算方法为：各关节变化角度值＝编码器当前脉冲数/(电机转动一圈脉冲数×减速器减速比)；步骤2、获取穿戴外骨骼装置的足部压力值，包括：左足大脚趾压力值、左足小脚趾压力值、左足脚跟压力值、右足大脚趾压力值、右足小脚趾压力值、右足脚跟压力值，并进行计算，得到左右足各自的负重压力值；所在步骤2中，左右足各自负重压力值的计算方法为：左足压力值＝(左足大脚趾压力权重系数×左足大脚趾压力值+左足小脚趾压力权重系数×左足小脚趾压力值+左足脚跟压力权重系数×左足脚跟压力值)；右足压力值＝(右足大脚趾压力权重系数×右足大脚趾压力值+右足小脚趾压力权重系数×右足小脚趾压力值+右足脚跟压力权重系数×右足脚跟压力值)；根据空载和负重两种情况下分别计算左足压力值和右足压力值，则左脚负重＝负重左足压力值‑空载左足压力值；右脚负重＝负重右足压力值‑空载右足压力值；步骤3、获取穿戴外骨骼装置运动时左右大小腿的角速度值，包括：左腿大腿角速度值、左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值、右腿小腿角速度值，并与所述左右腿髋关节和膝关节的变化角度值一起进行计算，获得外骨骼装置与穿戴者身体运动契合度参数；所述步骤3中，外骨骼装置与穿戴者身体运动契合度参数计算方法为：左腿髋关节契合度参数＝左腿大腿角速度值/外骨骼装置左腿髋关节变化角度值；左腿膝关节契合度参数＝左腿小腿角速度值/外骨骼装置左腿膝关节变化角度值；右腿髋关节契合度参数＝右腿大腿角速度值/外骨骼装置右腿髋关节变化角度值；右腿膝关节契合度参数＝右腿小腿角速度值/外骨骼装置右腿膝关节变化角度值；步骤4、获取穿戴外骨骼装置运动时左右大小腿和腰部的姿态角度值，包括：左腿大腿俯仰角度值、左腿小腿俯仰角度值、右腿大腿俯仰角度值、右腿小腿俯仰角度值、腰部俯仰角度值，并与所述足部压力值一起进行逻辑判断，获得当前左右腿所属的步态相位；对所述左右大小腿的角速度值、当前左右腿所属的步态相位、外骨骼装置当前姿态、负重在左右脚的分布进行计算，得到左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值，包括：左腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、左腿膝关节直流伺服电机输出力矩值、右腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、右腿膝关节直流伺服电机输出力矩值，并用于控制所述外骨骼装置进行多相位步态切换；所述步骤4是按如下过程进行：步骤4.1、判断腰部俯仰角度值是否大于起步动作触发的角度阈值；若大于，则执行步骤4.3；否则，执行步骤4.2；步骤4.2、保持外骨骼装置当前的姿态，并执行步骤4.1；步骤4.3、判断左腿大腿角速度值、左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值、右腿小腿角速度值是否满足条件1或条件2或条件3；若不满足条件1、条件2或条件3，则执行步骤4.2；条件1：若左腿大腿角速度值和左腿小腿角速度值均大于第一角速度活跃阈值Twb1，则判断右足足底压力值与左足足底压力值的差值，若差值为正，且正值大于起步触发的压力差设定阈值，则执行步骤4.5；条件2：若右腿大腿角速度值和右腿小腿角速度值均大于第二角速度活跃阈值Twb2，则判断左足足底压力值与右足足底压力值的差值，若差值为正，且正值大于起步触发的压力差设定阈值，则执行步骤4.4；条件3：若左腿大腿角速度值和左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值和右腿小腿角速度值均大于第三角速度活跃阈值Twb3，则执行步骤4.6；步骤4.4、执行右腿摆动相位，左腿支撑相位的步态，执行结束后转至步骤4.7；在当前相位下，各直流伺服电机力矩输出值计算方法为：左腿髋关节直流伺服电机输出力矩Txb1为：式(1)中，k_vb1为所述左腿髋关节契合度参数，为左腿大腿的角速度值，k_sb1为满足左腿支撑负重情况下的髋关节助力调节系数，T_sb1为左腿髋关节静止下最小输出力矩；左腿膝关节直流伺服电机输出力矩Txs1为：式(2)中，k_vs1为所述左腿膝关节契合度参数，为左腿小腿的角速度值，k_ss1为满足左腿支撑负重情况下的膝关节助力调节系数，T_ss1为左腿膝关节静止下最小输出力矩；右腿髋关节直流伺服电机输输出力矩Txb2为：式(3)中，k_vb2为所述右腿髋关节契合度参数，为右腿大腿的角速度值，k_wb2为右腿摆动情况下的髋关节助力调节系数，T_wb2为右腿髋关节静止下最小输出力矩；右腿膝关节直流伺服电机输出力矩Txs2为：式(4)中，k_vs2为所述右腿膝关节契合度参数，为右腿小腿的角速度值，k_ws2为右腿摆动情况下的膝关节助力调节系数，T_ws2为右腿膝关节静止下最小输出力矩；步骤4.5、执行左腿摆动相位，右腿支撑相位的步态；执行结束后，转至步骤4.8；在当前相位下，各直流伺服电机力矩输出值计算方法为：左腿髋关节直流伺服电机输出力矩Txb1为：式(5)中，kwb1为左腿摆动情况下的髋关节助力调节系数，Twb1为左腿髋关节静止下最小输出力矩；左腿膝关节直流伺服电机输出力矩Txs1为：式(6)中，kws1为左腿摆动情况下的膝关节助力调节系数，Tws1为左腿膝关节静止下最小输出力矩；右腿髋关节直流伺服电机输出力矩Txb2为：式(7)中，ksb2为满足右腿支撑负重情况下的髋关节助力调节系数，Tsb2为右腿髋关节静止下最小输出力矩；右腿膝关节直流伺服电机输出力矩Txs2为：式(8)中，kss2为满足右腿支撑负重情况下的膝关节助力调节系数，Tss2为右腿膝关节静止下最小输出力矩；步骤4.6、执行原地站立到下蹲或下蹲到站立的运动相位该，执行结束后转至步骤4.1；在当前相位下，各直流伺服电机力矩输出值计算方法为：左腿髋关节直流伺服电机输出力矩Txb1为：左腿膝关节直流伺服电机输出力矩Txs1为：右腿髋关节直流伺服电机输出力矩Txb2为：右腿膝关节直流伺服电机输出力矩Txs2为：步骤4.7：判断是否同时满足条件4、条件5、条件6和条件7；若同时满足，则执行步骤4.5；若有一项条件不满足，则执行步骤4.2；条件4：腰部俯仰角度值大于起步动作触发的角度阈值；条件5：左腿大腿角速度值和左腿小腿角速度值均大于第一角速度活跃阈值Twb1；条件6：右足足底压力值与左足足底压力值的差值为正；条件7：右足足底压力值与左足足底压力值的差值大于起步触发的压力差设定阈值；步骤4.8：判断是否同时满足条件8、条件9、条件10和条件11；若同时满足，则执行步骤4.4；若有一项条件不满足，则执行步骤4.2；条件8：腰部俯仰角度值大于起步动作触发的角度阈值；条件9：右腿大腿角速度值和右腿小腿角速度值均大于第二角速度活跃阈值Twb2；条件10：左足足底压力值与右足足底压力值的差值为正；条件11：左足足底压力值与右足足底压力值的差值大于起步触发的压力差设定阈值。