CN109015649B - 实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现外骨骼机器人节律柔顺运动的控制系统及方法，所述控制系统包括感知与规划系统、伺服控制系统和供电系统；所述感知与规划系统包括感知与规划处理器、足底压力采集模块、人机交互力采集模块、惯性传感器模块和人机交互界面；所述伺服控制系统包括执行层控制器、电液驱动系统、反馈测量单元和机器人本体模块；所述步态模式发生器统一协调产生各个关节参考运动轨迹；所述执行层控制器中包括了力控制算法和位置控制控制算法。本发明采用层次化、分布式控制系统，通过合理分配各个部分的计算量，不仅提高系统的可靠性与实时性，而且能够提高外骨骼机器人的柔顺性和敏捷性。

Description

实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统及方法

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，涉及外骨骼机器人控制系统及控制方法，尤其是一种可实现柔顺液压驱动的外骨骼机器人控制系统及方法。

背景技术

外骨骼机器人是智能化的人机交互系统，它能有效增强人体负载能力，在单兵机动作战、救灾救援、康复医疗领域具备广阔的应用前景。国际上较为典型外骨骼机器人应用包括美国国防部先进研究项目局(DAPRA)的XOS和HULC、洛克希德马丁公司FORTIS、以色列的Rewalk以及日本筑波大学的HAL等。近年来，中国兵器集团公司、中国船舶重工集团公司、哈尔滨工业大学、北京理工大学、中国科学院等国内科研院所也在针对不同应用场景开展外骨骼机器人的研制。

控制系统是决定外骨骼机器人性能指标的最为关键的环节之一。传统的控制策略一般针对每一个运动关节单独地进行位置、力或者力位混合控制，侧重于对机器人底层关节的局部控制。在这种控制模式下，外骨骼关节运动可以看成是一种简单的反射运动，缺少所有关节之间顶层的和全局的协调控制策略，这就导致现有外骨骼机器人与穿戴者之间适应性差，人机之间干涉问题较为严重，人机行走动作僵硬。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计合理、可靠性高、实时性强且可以实现外骨骼机器人节律柔顺运动的控制系统及方法。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统，包括感知与规划系统、伺服控制系统和供电系统；

所述感知与规划系统包括感知与规划处理器、足底压力采集模块、人机交互力采集模块、惯性传感器数据采集模块和人机交互界面；所述足底压力采集模块的输出端和感知与规划处理器相连接，用于测量足底压力在时间和空间上的分布；所述人机交互力采集模块的输出端和感知与规划处理器相连接，用于测量穿戴者大腿处与外骨骼之间的接触力信息；所述惯性传感器数据采集模块的输出端和感知与规划处理器相连接，用于测量穿戴者下肢大小腿以及上肢躯干姿态信息；所述人机交互界面和感知与规划处理器相连接，用于捕捉、传递和显示人机数据交互；所述感知与规划处理器包括DSP处理模块和FPGA接口模块，其输出端与伺服控制系统相连接，用于接收各采集模块的输出数据，对人体运动步态进行在线综合分析，在线生成机器人各个关节运动参考轨迹和控制模式并且输出至伺服控制系统；

所述伺服控制系统包括执行层控制器、电液驱动系统、反馈测量单元和机器人本体模块；所述执行层控制器包括DSP处理模块和FPGA接口模块；所述电液驱动系统由液压泵电机驱动板、伺服阀电机驱动板和液压系统构成；所述执行层控制器FPGA接口模块接收机器人反馈测量单元中各个传感器数据后输出至执行层控制器DSP处理模块；所述执行层控制器DSP处理模块的输出端通过液压泵电机驱动板、伺服阀电机驱动板与液压系统相连接，用于输出液压泵电机与伺服阀电机的控制信号进而控制液压系统作动；所述液压系统输出端与机器人本体模块相连接，用于驱动机器人本体各个关节模块运动；所述机器人本体上的髋关节和膝关节角度编码器与执行层控制器FPGA接口模块相连接，用于将机器人本体的髋关节角度与膝关节角度输出至执行层控制器FPGA接口模块进行反馈；所述液压系统上的液压泵转速编码器、伺服阀角度编码器、髋部缸油压传感器和膝部缸油压传感器与执行层控制器FPGA接口模块相连接，用于将液压系统的液压泵转速、伺服阀开度、机器人髋部油缸压力信号和机器人膝部油缸压力信号输出至执行层控制器FPGA接口模块进行反馈；所述液压泵电机、伺服阀电机通过电流传感器与执行层控制器FPGA接口模块相连接，用于将液压泵电机与伺服阀电机的电流信号输出至执行层控制器FPGA接口模块进行反馈；

所述供电系统的输出端分别与感知与规划系统和伺服控制系统相连接并为其供电。

一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制方法，包括以下步骤：

步骤1、感知与规划处理器接收外部传感器的输入信号；

步骤2、感知与规划处理器提取步骤1所采集信号的特征；

步骤3、由感知与规划处理器内的步态模式发生器产生机器人本体各关节的运动参考轨迹；

步骤4、将步骤3中感知与规划系统给出的各个关节的参考轨迹与控制模式作为伺服控制系统的输入；

步骤5、将控制模式分为位置控制模式和力控制模式两种，将位置控制模式分为髋关节角位置控制和膝关节角位置控制，采用关节角度、伺服阀开度和液压缸内油压的三闭环的控制策略，三闭环控制系统依次嵌套，且每个伺服闭环均采用PID控制算法，控制参数整定的原则为先内环后外环；

步骤6、在力控制模式下，利用拉格朗日方法对外骨骼机器人系统进行动力学建模，得出外骨骼各个关节在给定参考轨迹下的期望力矩，采集液压缸内油压作为反馈，进行力闭环控制。

而且，所述步骤1的具体方法为：足底压力采集模块和人机交互力采集模块通过CAN总线接口分别将足底压力信息和人机交互力信息发送到感知与规划处理器，惯性传感器数据采集模块将穿戴者姿态信息通过蓝牙接口发送到感知与规划处理器，人机交互界面通过串口将穿戴者设定的控制参数发送到感知与规划处理器；

而且，所述步骤2的具体方法为：感知与规划处理器对输入的足底压力信号、人机交互力信号以及穿戴者姿态信号进行滤波和特征提取，分别提取出步态相位、步幅、步态周期，穿戴者与外骨骼之间的交互力以及穿戴者姿态角度的特征变量。

而且，所述步骤3的具体步骤包括：

(1)在感知与规划处理器中构造一个步态模式发生器，所述步态模式发生器由四个相互耦合的功能神经元网络核团构成，分别对应左侧髋关节、左侧膝关节、右侧髋关节和右侧膝关节运动轨迹生成单元；

(2)将步骤2中所提取到的外部感知信号特征变量输入到步态模式发生器中的功能神经元网络核团上，作为外部激励；

(3)步态模式发生器进行学习训练，神经元网络核团之间的突触权值不断更新，直至突触权值收敛到稳态值，此后将四个神经元网络核团输出的平均场电位分别作为左侧髋关节、左侧膝关节、右侧髋关节和右侧膝关节的参考运动轨迹。

而且，所述步骤5的具体步骤包括：

(1)髋关节角位置控制：采用髋关节角度—伺服阀开度—髋部液压缸压力构成的三闭环控制系统，其中髋部液压缸内压力传感器最先感受髋部负载压力变化，将液压缸压力闭环设为最内环，液压泵转速闭环作为第二层闭环，髋关节角度作为最终控制目标是最外面的控制闭环；

(2)膝关节角位置控制：采用膝关节角度—液压伺服阀开度—膝部液压缸压力构成的三闭环控制系统，其中膝部液压缸内压力传感器最先感受膝部负载变化，故将膝部压力闭环作为控制系统最内环；外面一层是伺服阀开度闭环，最外面的是膝关节角度控制闭环。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明涉及一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统及控制方法，模拟人类运动神经系统分层的结构特点，控制系统划分为运动感知与步态规划层和执行层伺服控制系统。运动感知与步态规划层以步态模式发生器为核心，它接收足底压力传感器、人机交互力传感器、惯性传感器以及人机交互界面的数据产生各关节运动曲线。执行层以液压伺服控制器为核心，它将步态模式发生器产生的关节参考运动轨迹作为给定，将关节角度编码器、关节力传感器作为反馈，同时具有关节位置控制和关节力控制算法，这些构成底层运动闭环控制系统。

2、本发明提出一种实现外骨骼机器人柔顺运动的控制系统和方法。在控制系统架构上，模拟人类运动神经系统分层的结构特点，提出一种层次化、分布式控制系统，通过合理分配各个环节的计算量，提高系统的实时性与可靠性；在控制策略上，在各个关节底层运动控制的基础上引入更高层次的步态模式控制器，统一协调规划各个关节运动轨迹，使外骨骼机器人具备更为灵活、敏捷、协调的仿生运动能力。通过上述控制系统硬件架构和控制策略两方面的创新，提高外骨骼人机系统整体动作柔顺性。

3、本发明中步态模式发生器能够根据外部环境变化具备在线学习和调整的能力。外部环境变化通过足底压力信号、人机交互力信号和人体姿态信号的特征变量反映到步态模式发生器的输入上，步态模式发生器中的神经元核团之间的突触连接按照一定的学习规则进行在线调整，动态改变核团之间的耦合关系，从而动态改变关节参考运动轨迹之间的耦合关系，最终提高人机之间的适应性。

4、底层位置伺服控制采用关节角度—伺服阀开度—液压缸压力构成的三闭环控制系统，可以大幅度提高位置控制的稳态精度和动态性能。

附图说明

图1是本发明的整体系统结框图；

图2是本发明的运动感知与步态规划系统框图；

图3是本发明的液压伺服控制系统框图；

图4是本发明的电液驱系统原理图；

图5是本发明的执行层控制器的控制方法流程图；

图6是本发明的供电系统框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

生物研究认为人和动物的节律运动是由位于脊髓中的中枢模式发生器(CPG)产生。中枢模式发生器CPG由中间神经元构成的局部振荡网络，通过神经元之间的相互耦合实现自激振荡，产生具有稳定相位互锁关系的多路或单路周期信号，协调、控制肢体或躯体相关部位的节律运动。由此本发明提出一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统及控制方法。

一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统，如图1所示，包括感知与规划系统、伺服控制系统和供电系统；

所述感知与规划系统包括感知与规划处理器、足底压力采集模块、人机交互力采集模块、惯性传感器模块和人机交互界面；所述足底压力采集模块的输出端和感知与规划处理器相连接，用于测量足底压力在时间和空间上的分布；所述人机交互力采集模块的输出端和感知与规划处理器相连接，用于测量穿戴者大腿处与外骨骼之间的接触力信息；所述惯性传感器数据采集模块的输出端和感知与规划处理器相连接，用于测量穿戴者下肢大小腿以及上肢躯干姿态信息；所述人机交互界面和感知与规划处理器相连接，用于捕捉、传递和显示人机数据交互；所述感知与规划处理器包括DSP处理模块和FPGA接口模块，其输出端与伺服控制系统相连接，用于接收各采集模块的输出数据，对人体运动步态进行在线综合分析，在线生成机器人各个关节运动参考轨迹和控制模式并且输出至伺服控制系统；

所述伺服控制系统如图3所示，包括执行层控制器、电液驱动系统、反馈测量单元和机器人本体模块；所述执行层控制器包括DSP处理模块和FPGA接口模块；所述电液驱动系统由液压泵电机驱动板、伺服阀电机驱动板和液压系统构成；所述执行层控制器FPGA接口模块接收机器人反馈测量单元中各个传感器数据后输出至执行层控制器DSP处理模块；所述执行层控制器DSP处理模块的输出端通过液压泵电机驱动板、伺服阀电机驱动板与液压系统相连接，用于输出液压泵电机与伺服阀电机的控制信号进而控制液压系统作动；所述液压系统输出端与机器人本体模块相连接，用于驱动机器人本体各个关节模块运动；所述机器人本体上的髋关节和膝关节角度编码器与执行层控制器FPGA接口模块相连接，用于将机器人本体的髋关节角度与膝关节角度输出至执行层控制器FPGA接口模块进行反馈；所述液压系统上的液压泵转速编码器、伺服阀角度编码器、髋部缸油压传感器和膝部缸油压传感器与执行层控制器FPGA接口模块相连接，用于将液压系统的液压泵转速、伺服阀开度、机器人髋部油缸压力信号和机器人膝部油缸压力信号输出至执行层控制器FPGA接口模块进行反馈；所述液压泵电机、伺服阀电机通过电流传感器与执行层控制器FPGA接口模块相连接，用于将液压泵电机与伺服阀电机的电流信号输出至执行层控制器FPGA接口模块进行反馈；

所述供电系统的输出端分别与感知与规划系统和伺服控制系统相连接并为其供电；

本发明一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统的总体架构如图1所示，采用分布式结构包括：包括顶层的运动感知与步态规划系统、底层的液压伺服控制系统和供电系统系统；其各部分的组成、功能和作用是：

顶层感知与规划系统负责感知人体动作意图并实时规划出外骨骼机器人各个关节运动参考轨迹。

感知与规划系统结构如图2所示，它实现穿戴者运动意图识别与运动步态规划，包括足底压力采集模块、人机交互力采集模块、惯性传感器模块、人机交互界面等外部模块和感知与规划处理器。

外部模块将传感器信息发送到主处理器进行数据综合分析，由位于主处理器的步态模式发生器产生各个关节参考运动轨迹，其中：

(1)足底压力采集模块测量足底压力在时间和空间上的分布，进而实现人体步态相位感知。足底压力采集模块安装于外骨骼机器人左、右脚底，压力传感器工作原理为：U型气管感受压力变化而发生形变，气管发生形变在管口处产生压力变化，气管管口处连接的气体压力传感器输出模拟电压型号，经过模拟滤波、放大和AD采集，通过CAN总线将数字信号发送到主处理器。模拟信号采集选用基于ARM架构的单片机，单片机自带至少三路片上AD和一路CAN接口，AD采样频率为1KHz,精度为12位，单片机上具有数字滤波算法，CAN通讯速率为100Hz。

(2)人机交互力采集模块用于测量穿戴者大腿处与外骨骼之间的接触力信息，进而实现人体运动意图感知。人机交互力传感器测力原理同足底压力传感器工作原理类似，压力传感器测量人机接触部位气囊的压力变化，输出模拟电压信号，经过模拟滤波、放大和AD采集，通过CAN总线将数字信号发送到主处理器。模拟信号采集选用基于ARM架构的单片机，单片机自带至少两路片上AD和一路CAN接口，AD采样频率为1KHz,精度为12位，单片机上具有数字滤波算法，CAN通讯速率为100Hz。

(3)惯性传感器数据采集模块用于测量穿戴者下肢大小腿以及上肢躯干姿态信息，为人体步态规划提供参考。惯性敏感单元选用高精度的陀螺加速度计MPU6050，通过ARM处理器读取MPU6050的测量数据，处理器内部具备姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出姿态信息，通过蓝牙接口将姿态信息发送到主处理器，蓝牙通讯速率为100Hz。

(4)人机交互界面选用触摸屏，通过绑带固定在穿戴者手臂上，它为穿戴者提供相关参数设置以及系统状态显示的窗口，通过串口实现数据交互，串口传输速率为1KHz。

(5)主处理器作为数据收集、分析和处理的硬件平台，实现人体运动步态在线分析和机器人各个关节运动轨迹的在线生成等功能。主处理器选用选用TI公司6748系列DSP和Xilinx公司Spartan6系列FPGA构成的双核架构，FPGA与DSP之间通过EMIF总线通讯。FPGA主频为32MHz,用于拓展传感器数据接口和实现传感器数据滤波。FPGA外扩两路CAN接口，其中一路与足底压力采集模块、人机交互力采集模块组成通讯网络，另一路与与执行层主控制器组成通讯为网络，CAN通讯速率为100Hz；外扩两路串口，分别实现与人机交互界面和上位机界面通讯,串口通讯速率为1KHz；外扩一路蓝牙接口，实现与惯性采集模块通讯，蓝牙通讯速率为100Hz。DSP主频为456MHz，实现步态模式发生器中的关节姿态解算功能，输出各个关节的参考轨迹和控制模式信息。

2、底层伺服控制系统作为动作执行层接收顶层发送下来的姿态命令进行底层的位置控制或者力控制。

(1)执行层控制器用于实现与感知规划系统实时数据通讯、传感器数据采集、液压伺服控制算法解算以及向驱动单元发送控制命令。控制器选用TI公司TMS320F28335型DSP和Xilinx公司Spartan6系列FPGA构成的双核架构，两型控制器之间通过EMIF总线通讯。FPGA主频为32MHz，用于扩展传感器接口以及传感器信号滤波，FPGA外扩6路增量式差分编码器接口，8路AD接口，2路串口。DSP主频为150MHz,实现底层位置控制或者力控制算法实现，外扩1路CAN接口，4路PWM控制端口。控制器输入为步态规划子系统输出的关节轨迹和控制模式，它通过CAN总线实现数据传输，数据通讯速率为100Hz。

(2)电液驱动系统是外骨骼机器人的执行结构，直接驱动外骨骼机器人关节动作。外骨骼下肢左、右两侧各配置一套微小电液驱动单元，其原理图如图4所示，包括了油压传感器1、安全阀3、油箱4、液压泵5、膝部缸作动伺服阀6、单向阀7、髋部液压缸8、膝部液压缸9、髋部缸作动伺服阀10。从功能上来说，髋部液压缸和膝部液压缸由同一个液压泵提供动力源，通过调节各自的伺服阀调节进入液压缸缸的流量和压力。在实际控制系统中，采用液压泵控制与液压伺服阀控制相结合的控制策略，使液压系统输出由控制器指定的位置或者力矩。液压泵选用三相无刷电机驱动，电机额定功率为700W。伺服阀通过直流有刷电机驱动，电机额定功率为100W。

(3)外骨骼机器人本体主要包括上下肢结构。下肢髋关节和膝关节具有主动自由度，通过上面所述的微小电液驱动系统进行驱动，踝关节具有被动自由度，由人体踝关节带动进行活动。上肢结构主要为背架，用于承载和固定人体以及所需背负的重物。

(4)反馈测量单元为电液驱动系统提供进行闭环控制所需要的状态反馈信号，主要包括了关节角度编码器、油压传感器、电流传感器。关节角度编码器包括了左侧髋关节角度编码器、左侧膝关节角度编码器、左侧髋部液压缸伺服阀电机角度编码器、左侧液压缸泵转电机转速编码器；右侧髋关节角度编码器、右侧膝关节角度编码器、右侧髋部液压缸伺服阀电机角度编码器、右侧液压缸泵转电机转速编码器。其中髋部和膝部关节角度编码器选用4000线增量式编码器，输出正交脉冲信号在FPGA中四倍频，测角分辨率为0.0225度。液压伺服阀角度编码器选用1000线增量式编码器，输出增加脉冲信号在FPGA中四倍频，测角精度为0.09度。液压泵电机转速编码器选用2048线增量式编码器，输出正交脉冲信号在FPGA内四倍频，测角分辨率为0.0439度。油压传感器包括左侧髋部液压缸压力传感器、左侧膝部液压缸压力传感器；右侧髋部液压缸压力传感器、右侧膝部液压缸压力传感器。油压传感器分别测量髋部缸有杆腔、无杆腔以及膝部缸无杆腔侧油压，选用OMEGA公司PX600系列压力传感器，输出模拟差分信号量程为0-10mV，通过仪表放大器发大后进行AD采样，AD采样频率为10KHz，采样后数据进入FPGA做数字滤波。电流传感器选用线性霍尔测量泵转电机直流母线处电流，线性霍尔输出模拟信号范围为0-3.3V，霍尔输出经滤波后进行AD采样，AD采样频率为10KHz。

3、供电系统为各模块提供满足系统功耗要求的直流稳压电源。

供电系统如图6所示，锂电池模块输出48V直流电源，通过电源适配器产生1路48V，两路12V，3路5V电源，根据实际应用需求在线路板上再做电源隔离设计，电源设计指标如表1所示。

在感知与规划处理板上，对输入的5V电源信号分别隔离出4路5V电源，分别供给足底压力采集模块、人机交互力采集模块、惯性传感器数据采集模块以及人机交互界面模块。

在电液伺服控制板上，对其中一路输入的5V电源信号进行3路电源隔离，分别供给关节角度编码器、液压泵电机转速编码器以及伺服阀角度编码器；对另一路输入的5V电源信号进行2路电源隔离，分别供给电流线性霍尔传感器和液压缸内油压传感器。

在电机功率驱动板上，输入的48V电源供给液压泵电机，其中一路12V电信号供给无刷电机霍尔传感器，另外一路12V电源供给液压缸伺服阀。

表1电源设计指标

一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤1、感知与规划处理器接收外部传感器的输入信号；

所述步骤1的具体方法为：足底压力采集模块和人机交互力采集模块通过CAN总线接口分别将足底压力信息和人机交互力信息发送到感知与规划处理器，惯性传感器数据采集模块将穿戴者姿态信息通过蓝牙接口发送到感知与规划处理器，人机交互界面通过串口将穿戴者设定的控制参数(控制模式、系统刚度等)发送到感知与规划处理器；

步骤2、感知与规划处理器提取步骤1所采集信号的特征；

所述步骤2的具体方法为：感知与规划处理器对输入的足底压力信号、人机交互力信号以及穿戴者姿态信号进行滤波和特征提取，分别提取出步态相位、步幅、步态周期，穿戴者与外骨骼之间的交互力以及穿戴者姿态角度的特征变量。

步骤3、由感知与规划处理器内的步态模式发生器产生机器人本体各关节的运动参考轨迹；

所述步骤3的具体步骤包括：

(1)在感知与规划处理器中内嵌一个步态模式发生器，用于模拟人类脊髓的中枢模式发生器产生节律运动；所述步态模式发生器由四个相互耦合的功能神经元网络核团构成，分别对应左侧髋关节、左侧膝关节、右侧髋关节和右侧膝关节运动轨迹发生器，产生各个关节的参考运动轨迹；

(2)将步骤2中所提取到的外部感知信号特征变量输入到步态模式发生器中的功能神经元网络核团上，作为外部激励；

(3)步态模式发生器进行学习训练，神经元网络核团之间的突触权值不断更新，直至突触权值收敛到稳态值，此后将四个神经元网络核团输出的平均场电位分别作为左侧髋关节、左侧膝关节、右侧髋关节和右侧膝关节的参考运动轨迹。

步骤4、将步骤3中感知与规划系统给出的各个关节的参考轨迹与控制模式作为伺服控制系统的输入；

步骤5、将控制模式分为位置控制模式和力控制模式两种，将位置控制模式分为髋关节角位置控制和膝关节位置控制，采用关节角度、伺服阀开度和液压缸内油压的三闭环的控制策略，三闭环控制系统依次嵌套，且每个伺服均闭环均采用PID控制算法，控制参数整定的原则为先内环后外环。

所述步骤5的具体步骤包括：

(1)髋关节角位置控制：采用髋关节角度—伺服阀开度—髋部液压缸压力构成的三闭环控制系统，其中髋部液压缸内压力传感器最先感受髋部负载压力变化，将液压缸压力闭环设为最内环，液压泵转速闭环作为第二层闭环，髋关节角度作为最终控制目标是最外面的控制闭环；

(2)膝关节角位置控制：采用膝关节角度—液压伺服阀开度—膝部液压缸压力构成的三闭环控制系统，其中膝部液压缸内压力传感器最先感受膝部负载变化，故将膝部压力闭环作为控制系统最内环，外面一层是伺服阀开度闭环，最外面的是膝关节角度控制闭环。

步骤6、在力控制模式下，利用拉格朗日方法对外骨骼机器人系统进行动力学建模，得出外骨骼各个关节在给定参考轨迹下的期望力矩，采集液压缸内油压作为反馈，进行力闭环控制。

在本实施例中，在进行位置或者力控制时需要实时采集液压泵转电机电流，设定电流阈值，当电流超过阈值时控制系统要做过流保护措施。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统，其特征在于：包括感知与规划系统、伺服控制系统和供电系统；

所述感知与规划系统包括感知与规划处理器、足底压力采集模块、人机交互力采集模块、惯性传感器数据采集模块和人机交互界面；所述足底压力采集模块的输出端和感知与规划处理器相连接，用于测量足底压力在时间和空间上的分布；所述人机交互力采集模块的输出端和感知与规划处理器相连接，用于测量穿戴者大腿处与外骨骼之间的接触力信息；所述惯性传感器数据采集模块的输出端和感知与规划处理器相连接，用于测量穿戴者下肢大小腿以及上肢躯干姿态信息；所述人机交互界面和感知与规划处理器相连接，用于捕捉、传递和显示人机数据交互；所述感知与规划处理器包括DSP处理模块和FPGA接口模块，其输出端与伺服控制系统相连接，用于接收各采集模块的输出数据，对人体运动步态进行在线综合分析，在线生成机器人各个关节运动参考轨迹和控制模式并且输出至伺服控制系统；

所述伺服控制系统包括执行层控制器、电液驱动系统、反馈测量单元和机器人本体模块；所述执行层控制器包括DSP处理模块和FPGA接口模块；所述电液驱动系统由液压泵电机驱动板、伺服阀电机驱动板和液压系统构成；所述执行层控制器FPGA接口模块接收机器人反馈测量单元中各个传感器数据后输出至执行层控制器DSP处理模块；所述执行层控制器DSP处理模块的输出端通过液压泵电机驱动板、伺服阀电机驱动板与液压系统相连接，用于输出液压泵电机与伺服阀电机的控制信号进而控制液压系统作动；所述液压系统输出端与机器人本体模块相连接，用于驱动机器人本体各个关节模块运动；所述机器人本体上的髋关节和膝关节角度编码器与执行层控制器FPGA接口模块相连接，用于将机器人本体的髋关节角度与膝关节角度输出至执行层控制器FPGA接口模块进行反馈；所述液压系统上的液压泵转速编码器、伺服阀角度编码器、髋部缸油压传感器和膝部缸油压传感器与执行层控制器FPGA接口模块相连接，用于将液压系统的液压泵转速、伺服阀开度、机器人髋部油缸压力信号和机器人膝部油缸压力信号输出至执行层控制器FPGA接口模块进行反馈；所述液压泵电机、伺服阀电机通过电流传感器与执行层控制器FPGA接口模块相连接，用于将液压泵电机与伺服阀电机的电流信号输出至执行层控制器FPGA接口模块进行反馈；

所述供电系统的输出端分别与感知与规划系统和伺服控制系统相连接并为其供电。

2.如权利要求1所述的一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、感知与规划处理器接收外部传感器的输入信号；

步骤2、感知与规划处理器提取步骤1所采集信号的特征；

步骤3、由感知与规划处理器内的步态模式发生器产生机器人本体各关节的运动参考轨迹；

步骤4、将步骤3中感知与规划系统给出的各个关节的参考轨迹与控制模式作为伺服控制系统的输入；

步骤5、将控制模式分为位置控制模式和力控制模式两种，将位置控制模式分为髋关节角位置控制和膝关节位置控制，采用关节角度、伺服阀开度和液压缸内油压的三闭环的控制策略，三闭环控制系统依次嵌套，且每个伺服均闭环均采用PID控制算法，控制参数整定的原则为先内环后外环；

步骤6、在力控制模式下，利用拉格朗日方法对外骨骼机器人系统进行动力学建模，得出外骨骼各个关节在给定参考轨迹下的期望力矩，采集液压缸内油压作为反馈，进行力闭环控制。

3.根据权利要求2所述的一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：足底压力采集模块和人机交互力采集模块通过CAN总线接口分别将足底压力信息和人机交互力信息发送到感知与规划处理器，惯性传感器数据采集模块将穿戴者姿态信息通过蓝牙接口发送到感知与规划处理器，人机交互界面通过串口将穿戴者设定的控制参数发送到感知与规划处理器。

4.根据权利要求2所述的一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：感知与规划处理器对输入的足底压力信号、人机交互力信号以及穿戴者姿态信号进行滤波和特征提取，分别提取出步态相位、步幅、步态周期，穿戴者与外骨骼之间的交互力以及穿戴者姿态角度的特征变量。

5.根据权利要求2所述的一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3的具体步骤包括：

(1)在感知与规划处理器中构造一个步态模式发生器，所述步态模式发生器由四个相互耦合的功能神经元网络核团构成，分别对应左侧髋关节、左侧膝关节、右侧髋关节和右侧膝关节运动轨迹生成单元；

(2)将步骤2中所提取到的外部感知信号特征变量输入到步态模式发生器中的功能神经元网络核团上，作为外部激励；

(3)步态模式发生器进行学习训练，神经元网络核团之间的突触权值不断更新，直至突触权值收敛到稳态值，此后将四个神经元网络核团输出的平均场电位分别作为左侧髋关节、左侧膝关节、右侧髋关节和右侧膝关节的参考运动轨迹。

6.根据权利要求2所述的一种实现节律柔顺运动的液压外骨骼机器人控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤5的具体步骤包括：

(1)髋关节角位置控制：采用髋关节角度—伺服阀开度—髋部液压缸压力构成的三闭环控制系统，其中髋部液压缸内压力传感器最先感受髋部负载压力变化，将液压缸压力闭环设为最内环，液压泵转速闭环作为第二层闭环，髋关节角度作为最终控制目标是最外面的控制闭环；

(2)膝关节角位置控制：采用膝关节角度—液压伺服阀开度—膝部液压缸压力构成的三闭环控制系统，其中膝部液压缸内压力传感器最先感受膝部负载变化，故将膝部压力闭环作为控制系统最内环；外面一层是伺服阀开度闭环，最外面的是膝关节角度控制闭环。

Images