CN105108760B - 一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法，该方法包括以下步骤：(1)该方法首先采集小臂上的多维力传感器的信号；(2)实时控制器将多维力传感器接触点的力转换为该点期望的速度，通过运算进而得出肩关节和肘关节的期望角度；(3)实时控制器根据PID算法，运算并输出控制电机的电压信号；电机驱动器将该电压信号转化为控制电机的电流信号；大臂电机和小臂电机根据电流信号的大小，实现对肩关节和肘关节运动角度的控制，进而实现上肢大小臂位置的控制；本发明在人机间交互问题上有效、可靠，并具有对人体运动意图快速响应的特点。

Description

一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法。

背景技术

军队士兵经常需要背负重物进行长距离行走或作战，过重的负载常会对士兵身体造成一定的伤害，在这种背景下，需要开发一款能在战场环境中增强士兵速度、力量以及耐力的外骨骼装备；在科考、消防营救等领域，科考人员及消防营救人员常常需要长距离行走、背负重物、运送伤员、野外作战、登山探险等，传统的轮式交通工具难以在这些特殊场合发挥作用。除此之外，外骨骼也可以被用于仓库的货物装卸，以减轻搬运工人的劳动强度。外骨骼与人的组合能适应非结构化的环境，拥有极好的灵活性，可以完成一些复杂的装卸的工作，如为战斗机装卸导弹等，这是其他的装卸设备难以比拟的。外骨骼在这些领域的应用将对这些领域起到非常积极的作用。另外，老龄化正在全球蔓延，外骨骼的出现不仅可以帮助一些老年人解决体力较差、行走不变的问题，也可以帮助一些丧失行动能力的人恢复部分的行动能力。助力外骨骼的特点是要求在非结构环境下与穿戴者进行协作，这要求研究人员需要解决非结构性环境下高度协调的人机一体化问题，包括有效、可靠的人机间交互问题，对人体运动意图的快速响应问题，轻便、灵活的仿生结构设计，人机系统的安全性问题等，这些技术问题还处于初级摸索阶段，并不成熟，还需要进行深入的研究。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法，该方法在人机间交互问题上有效、可靠，并具有对人体运动意图快速响应的特点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法，所述可穿戴式助力外骨骼上肢机构包括：左臂、右臂、背架、实时控制器和电机驱动器；其中，所述左臂和右臂结构相同，分别铰接在背架的两侧；电机驱动器与实时控制器相连；

所述左臂与右臂均包括：大臂电机、从动圆柱齿轮、肩关节旋转编码器、球铰、大臂、小臂电机、从动锥齿轮、肘关节旋转编码器、多维力传感器、小臂、手掌、主动圆柱齿轮、主动锥齿轮、小臂绑带；其中，大臂电机安装在背架的上端一侧；大臂电机的输出轴与主动圆柱齿轮固定连接；从动圆柱齿轮铰接在背架上，并与主动圆柱齿轮啮合传动，在铰接处设置肩关节旋转编码器；球铰的一端与从动圆柱齿轮固定连接，另一端与大臂上端固定连接；大臂下端与小臂的上端铰接，在铰接处设置肘关节旋转编码器；小臂电机设置在大臂上，主动锥齿轮与小臂电机输出轴固定连接；从动锥齿轮固定在小臂上，并与主动锥齿轮啮合传动；小臂的下端与手掌铰接；多维力传感器设置在小臂上，多维力传感器与小臂绑带相连；大臂电机和小臂电机均与电机驱动器相连；肩关节旋转编码器、肘关节旋转编码器和多维力传感器均与实时控制器相连；

该方法包括如下步骤：

(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；将大臂和小臂旋转至平行位置，此时，初始化肩关节旋转编码器和肘关节旋转编码器，将肩关节旋转编码器和肘关节旋转编码器的数值调零；同时，初始化多维力传感器；

(2)当大臂和小臂相对转动时，采集小臂上的多维力传感器的信号；

(3)通过实时控制器的运算与通信模块将多维力传感器接触点的力F转换为该点期望的速度v；

v＝K_vF

其中：F为多维力传感器上测得的人-机之间的作用力，设F_x为x轴的作用力，F_y为y轴的作用力，M_z为z轴的力矩；K_v为对角矩阵，K_v＝diag(k_x,k_y,k_w)，k_x为x轴的线速度增益参数，k_y为y轴的线速度增益参数，k_w为z轴的转动角速度增益参数；v为多维力传感器安装点的运动速度，设v_x为x轴的线速度，v_y为y轴的线速度，w_z为z轴的转动角速度；

(5)计算雅可比矩阵的逆矩阵ω＝J^-1v，得出肩关节和肘关节的期望速度ω，再对其进行积分，得出肩关节和肘关节的期望角度矩阵q_d；

(6)实时控制器通过采集运算肩关节旋转编码器和肘关节旋转编码器的角度信息q，输出控制电机的电压信号u(t)；

其中，e(t)＝q_d(t)-q(t)，q_d(t)为实时控制器通过采集运算得出的肩关节和肘关节的期望角度矩阵，q(t)为肩关节和肘关节对应旋转编码器测量到的角度矩阵；k_p为比例系数，k_i为积分时间常数，k_d为微分时间常数；

(7)电机驱动器将步骤6得到的电压信号u(t)转化为控制电机的电流信号，大臂电机和小臂电机根据电流信号的大小，实现对大臂电机与小臂电机旋转角度的控制，进而实现对肩关节和肘关节旋转角度的控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明主要针对在长时间负重作业环境下辅助或者增强人们上肢负重能力。其动力系统采用具有节能、稳定、可控性高、占地面积小、运转率高、快速响应，维修方便等特点的电机驱动方式。传感器系统主要分布在大臂小臂等位置来实现较有效、可靠的人-机交互。设置柔性机构，采用拟人机构设计，可穿戴式的结构设计适应人体生理结构，通过与人体上肢运动关节的耦合实现与人体协调运动。强适应能力的PID控制方法能够让上肢在各种复杂工况下依旧有良好的表现，具有响应快，跟随性好等特点。

附图说明

图1是本发明的整体形状结构示意图；

图2是本发明的肩关节局部放大图；

图3是本发明的肘关节局部放大图；

图4是实时控制器控制结构框图；

图5是本发明的控制流程图；

图中，背架1、大臂电机2、从动圆柱齿轮3、肩关节旋转编码器4、球铰5、大臂6、小臂电机7、从动锥齿轮8、肘关节旋转编码器9、多维力传感器10、小臂11、手掌12、主动圆柱齿轮13、主动锥齿轮14、小臂绑带15。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示，一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构包括：左臂、右臂、背架1、实时控制器、电机驱动器；其中，所述左臂和右臂结构相同，分别铰接在背架1的两侧；电机驱动器与实时控制器相连；

所述左臂与右臂均包括：大臂电机2、从动圆柱齿轮3、肩关节旋转编码器4、球铰5、大臂6、小臂电机7、从动锥齿轮8、肘关节旋转编码器9、多维力传感器10、小臂11、手掌12、主动圆柱齿轮13、主动锥齿轮14、小臂绑带15；其中，大臂电机2安装在背架1的上端一侧；大臂电机2的输出轴与主动圆柱齿轮13固定连接；从动圆柱齿轮3铰接在背架1上，并与主动圆柱齿轮13啮合传动，在铰接处设置肩关节旋转编码器4；球铰5的一端与从动圆柱齿轮3固定连接，另一端与大臂6上端固定连接，可实现内外伸展一个自由度；大臂6下端与小臂11的上端铰接，在铰接处设置肘关节旋转编码器9；小臂电机7设置在大臂6上，主动锥齿轮14与小臂电机7输出轴固定连接；从动锥齿轮8固定在小臂11上，并与主动锥齿轮14啮合传动；小臂11的下端与手掌12铰接；多维力传感器10设置在小臂11上，多维力传感器10与小臂绑带15相连；大臂电机2和小臂电机7均与电机驱动器相连；肩关节旋转编码器4、肘关节旋转编码器9和多维力传感器10均与实时控制器相连；

如图4所示，所述实时控制器包括运算与通信模块、数据采集模块和控制输出模块；其中，所述运算与通信模块包括CPU、网络通信、FPGA；CPU和网络通信通过网线网卡相连，CPU和FPGA通过PCI总线相连；所述数据采集模块包括数字输入模块和模拟输入模块；所述控制输出模块为模拟输出模块；数字输入模块的数字输出端口与FPGA的数字输入端口相连，模拟输入模块的模拟输出端口与FPGA的模拟输入端口相连，模拟输出模块的输入端口与FPGA的模拟输出端口相连；肩关节旋转编码器4与数字输入模块的肩关节数据采集端口相连，肘关节旋转编码器9与数字输入模块的肘关节数据采集端口相连；两个多维力传感器分别与模拟输入模块的两个多维力传感器数据采集端口相连；模拟输出模块的电压输出端口与电机驱动器相连；大臂电机2和小臂电机7的电流输入端口均与电机驱动器相连，电机驱动器将该电压信号转化为控制电机的电流信号；实时控制器通过Ethernet与上位机相连；所述实时控制器可采用的型号为NI cRIO-9031的产品，但不限于此；所述电机驱动器可采用的型号为EPOS2的产品，但不限于此。

一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法，如下：当人穿戴好助力外骨骼上肢机构时，实时控制器接收小臂11上的多维力传感器10传来的信号。通过实时控制器的运算与通讯模块将多维力传感器接触点的力转换为该点期望的速度，然后计算雅克比矩阵的逆矩阵，得出肩关节与肘关节的期望速度，最后进行积分得出肩关节与肘关节的期望角度。实时控制器通过采集运算肩关节旋转编码器4和肘关节旋转编码器9的角度信号，从而输出控制大臂电机2与小臂电机7的电压信号，从而实现对大臂电机2与小臂电机7输出轴的角度控制。电机输出轴通过肩关节与肘关节处的齿轮机构，将电机的旋转运动转换为肩关节与肘关节的旋转运动。肩关节旋转编码器4和肘关节旋转编码器9分别安装在肩关节与肘关节的输出轴上，可将肩关节与肘关节的旋转角度反馈给实时控制器；实时控制器对反馈来的信息进行对比运算，进一步控制大臂电机2与小臂电机7的运动，从而实现实时反馈控制。

如图5所示，本发明提供了一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法，具体包括如下步骤：

(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；将大臂6和小臂11旋转至平行位置，此时，初始化肩关节旋转编码器4和肘关节旋转编码器9，将肩关节旋转编码器4和肘关节旋转编码器9的数值调零；同时，初始化多维力传感器10；

(2)当大臂6和小臂11相对转动时，采集小臂11上的多维力传感器10的信号；

(3)通过实时控制器的运算与通信模块将多维力传感器10接触点的力F转换为该点期望的速度v；

v＝K_vF

其中：F为多维力传感器10上测得的人-机之间的作用力，设F_x为x轴的作用力，F_y为y轴的作用力，M_z为z轴的力矩；K_v为对角矩阵，K_v＝diag(k_x,k_y,k_w)，k_x为x轴的线速度增益参数，k_y为y轴的线速度增益参数，k_w为z轴的转动角速度增益参数；v为多维力传感器10安装点的运动速度，设v_x为x轴的线速度，v_y为y轴的线速度，w_z为z轴的转动角速度；

(5)计算雅可比矩阵的逆矩阵ω＝J^-1v，得出肩关节和肘关节的期望速度ω，再对其进行积分，得出肩关节和肘关节的期望角度矩阵q_d；

(6)实时控制器通过采集运算肩关节旋转编码器4和肘关节旋转编码器9的角度信息q，输出控制电机的电压信号u(t)；

其中，e(t)＝q_d(t)-q(t)，q_d(t)为实时控制器通过采集运算得出的肩关节和肘关节的期望角度矩阵，q(t)为肩关节和肘关节对应旋转编码器测量到的角度矩阵；k_p为比例系数，k_i为积分时间常数，k_d为微分时间常数；

(7)电机驱动器将步骤6得到的电压信号u(t)转化为控制电机的电流信号，大臂电机2和小臂电机7根据电流信号的大小，实现对大臂电机2与小臂电机7旋转角度的控制，进而实现对肩关节和肘关节旋转角度的控制。

Claims (1)

1.一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法，其特征在于，所述可穿戴式助力外骨骼上肢机构包括：左臂、右臂、背架(1)、实时控制器和电机驱动器；其中，所述左臂和右臂结构相同，分别铰接在背架(1)的两侧；电机驱动器与实时控制器相连；

所述左臂与右臂均包括：大臂电机(2)、从动圆柱齿轮(3)、肩关节旋转编码器(4)、球铰(5)、大臂(6)、小臂电机(7)、从动锥齿轮(8)、肘关节旋转编码器(9)、多维力传感器(10)、小臂(11)、手掌(12)、主动圆柱齿轮(13)、主动锥齿轮(14)、小臂绑带(15)；其中，大臂电机(2)安装在背架(1)的上端一侧；大臂电机(2)的输出轴与主动圆柱齿轮(13)固定连接；从动圆柱齿轮(3)铰接在背架(1)上，并与主动圆柱齿轮(13)啮合传动，在铰接处设置肩关节旋转编码器(4)；球铰(5)的一端与从动圆柱齿轮(3)固定连接，另一端与大臂(6)上端固定连接；大臂(6)下端与小臂(11)的上端铰接，在铰接处设置肘关节旋转编码器(9)；小臂电机(7)设置在大臂(6)上，主动锥齿轮(14)与小臂电机(7)输出轴固定连接；从动锥齿轮(8)固定在小臂(11)上，并与主动锥齿轮(14)啮合传动；小臂(11)的下端与手掌(12)铰接；多维力传感器(10)设置在小臂(11)上，多维力传感器(10)与小臂绑带(15)相连；大臂电机(2)和小臂电机(7)均与电机驱动器相连；肩关节旋转编码器(4)、肘关节旋转编码器(9)和多维力传感器(10)均与实时控制器相连；

该方法包括如下步骤：

(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；将大臂(6)和小臂(11)旋转至平行位置，此时，初始化肩关节旋转编码器(4)和肘关节旋转编码器(9)，将肩关节旋转编码器(4)和肘关节旋转编码器(9)的数值调零；同时，初始化多维力传感器(10)；

(2)当大臂(6)和小臂(11)相对转动时，采集小臂(11)上的多维力传感器(10)的信号；

(3)通过实时控制器的运算与通信模块将多维力传感器(10)接触点的力F转换为该点期望的速度v；

v＝K_vF

其中：F为多维力传感器(10)上测得的人-机之间的作用力，设F_x为x轴的作用力，F_y为y轴的作用力，M_z为z轴的力矩；K_v为对角矩阵，K_v＝diag(k_x,k_y,k_w)，k_x为x轴的线速度增益参数，k_y为y轴的线速度增益参数，k_w为z轴的转动角速度增益参数；v为多维力传感器(10)安装点的运动速度，设v_x为x轴的线速度，v_y为y轴的线速度，w_z为z轴的转动角速度；

(5)计算雅可比矩阵的逆矩阵ω＝J^-1v，得出肩关节和肘关节的期望速度ω，再对其进行积分，得出肩关节和肘关节的期望角度矩阵q_d；

(6)实时控制器通过采集运算肩关节旋转编码器(4)和肘关节旋转编码器(9)的角度信息q，输出控制电机的电压信号u(t)；

$u\left(t\right)=k_{p}e\left(t\right)+\frac{1}{k_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+k_d\frac{de\left(t\right)}{dt}$

其中，e(t)＝q_d(t)-q(t)，q_d(t)为实时控制器通过采集运算得出的肩关节和肘关节的期望角度矩阵，q(t)为肩关节和肘关节对应旋转编码器测量到的角度矩阵；k_p为比例系数，k_i为积分时间常数，k_d为微分时间常数；

(7)电机驱动器将步骤6得到的电压信号u(t)转化为控制电机的电流信号，大臂电机(2)和小臂电机(7)根据电流信号的大小，实现对大臂电机(2)与小臂电机(7)旋转角度的控制，进而实现对肩关节和肘关节旋转角度的控制。