专利名称：一种人机耦合重载携行系统装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种携行系统装置及其控制方法，特别是关于一种人机耦合重载携行系统装置及其控制方法。
背景技术：
在远途跋涉中，人自身需要携带的装备和物资越来越多，这样会影响人的行进速度、行走距离和机动能力，常常使人精神疲惫或身体受伤。在采用传统的机器人控制技术进行人体携行负荷运动助力时，携行助力系统难以满足人体负载条件下控制的实时性、准确性和人机协同运动柔顺性，特别是在重载条件下，当人体进行快速行走、跑步、跨跳等剧烈运动时，这些传统的装置及其控制方法会对人的运动造成一定的阻碍，影响运动协同性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够提升重载携行系统感知控制的实时性、准确性和人机协同运动柔顺性的人机耦合重载携行系统装置及其控制方法。实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种人机耦合重载携行系统的装置，它包括与人体下部肢体对应耦合的刚肢体，刚肢体包括两组小腿零件和大腿零件，连接在小腿零件与大腿零件之间的两个膝关节和执行器，连接在小腿零件底部的两只传感靴，设置在两大腿零件上部且位于人体背部的背架，以及控制系统和供电电源；其特征在于每一执行器包括一液压缸，液压缸连接在大腿零件的中部，且通过油管依次连接伺服阀、电液换向阀、油箱和油泵，油箱和油泵设置在背架下部；液压缸的活塞杆连接小腿零件的中部，活塞杆的内端设置有一圈将液压缸分隔成一液压腔和一气体蓄能腔的凸缘；控制系统包括设置在两传感靴内的两组足底压力传感器，设置在两膝关节处的两膝关节角度传感器，设置在背架上控制板卡中的步态判断模块、执行器位置计算模块、控制器模块、放大器模块、液压调节模块、执行器等效模块、支撑负重补偿模块和两加法器；步态判断模块将得到的足底压力传感器信号与其内预置的给定阈值进行比较和判断；执行器位置计算模块将得到的膝关节传感器输出的膝关节角度变化值θ和其内预置的活塞杆位置Y与膝关节角度变化值 θ的关系式，计算活塞杆位置Y ；控制器模块通过其内预置的PID控制器的数学模型表达式(iPID，将其得到的偏差值转换为电压控制信号U。tel，并将其输出给放大器模块；放大器模块通过其内预置的关系式Ka将输入的电压控制信号U。tel转换为伺服电流量I，并将其输出给液压调节模块；液压调节模块通过其内预置的关系式Gsv将输入的伺服电流量I转换为伺服阀阀门的开度大小Xv，并将其输出给执行器等效模块，执行器等效模块通过其内预置的等效数学模型表达式Grai，将伺服阀阀门的开度大小Xv和支撑负重补偿模块反馈回来的支撑负重补偿力F。。mp，转换为活塞杆应该输出的位置YnMd，支撑负重补偿模块通过其内部预置的等效数学模型G。。mp将活塞杆应该输出的位置YnMd转换为活塞杆应该输出的支撑负重补偿力F。。mp，并将其再反馈回执行器等效模块。一组所述足底压力传感器为两个，分别放置在与人体前脚掌和后脚跟接触的部位，足底压力传感器输出电压信号。所述控制器模块中预置的PID控制器的数学模型表达式Gpm为Gpm = Kp+TnS+Tj/s式中而为比例系数，T11为微分系数，T1为积分系数。所述控制器模块中预置的PID控制器的数学模型表达式Gpm为Gpm = Kp+TnS+Tj/s式中而为比例系数，T11为微分系数，T1为积分系数。所述执行器位置计算模块内预置的活塞杆位置￥与膝关节角度变化值e的关系 式为
权利要求
1.一种人机耦合重载携行系统的装置，包括与人体下部肢体对应耦合的刚肢体，所述刚肢体包括两组小腿零件和大腿零件，连接在所述小腿零件与所述大腿零件之间的两个膝关节和执行器，连接在所述小腿零件底部的两只传感靴，设置在两所述大腿零件上部且位于人体背部的背架，以及控制系统和供电电源；其特征在于每一所述执行器包括一液压缸，所述液压缸连接在所述大腿零件的中部，且通过油管依次连接伺服阀、电液换向阀、油箱和油泵，所述油箱和油泵设置在所述背架下部；所述液压缸的活塞杆连接所述小腿零件的中部，所述活塞杆的内端设置有一圈将所述液压缸分隔成一液压腔和一气体蓄能腔的凸缘；所述控制系统包括设置在两所述传感靴内的两组足底压力传感器，设置在两所述膝关节处的两膝关节角度传感器，设置在所述背架上控制板卡中的步态判断模块、执行器位置计算模块、控制器模块、放大器模块、液压调节模块、执行器等效模块、支撑负重补偿模块和两加法器；所述步态判断模块将得到的足底压力传感器信号与其内预置的给定阈值进行比较和判断；所述执行器位置计算模块将得到的膝关节传感器输出的膝关节角度变化值θ和其内预置的活塞杆位置Y与膝关节角度变化值θ的关系式，计算活塞杆位置Y;所述控制器模块通过其内预置的PID控制器的数学模型表达式(iPID，将其得到的偏差值转换为电压控制信号Uctrl,并将其输出给所述放大器模块；所述放大器模块通过其内预置的关系式Ka将输入的电压控制信号U。tel转换为伺服电流量I，并将其输出给所述液压调节模块；所述液压调节模块通过其内预置的关系式(^sv将输入的伺服电流量I转换为伺服阀阀门的开度大小 Xv，并将其输出给所述执行器等效模块，所述执行器等效模块通过其内预置的等效数学模型表达式将伺服阀阀门的开度大小Xv和所述支撑负重补偿模块反馈回来的支撑负重补偿力F。。mp，转换为所述活塞杆应该输出的位置YnMd，所述支撑负重补偿模块通过其内部预置的等效数学模型G。。mp将活塞杆应该输出的位置Ynrad转换为所述活塞杆应该输出的支撑负重补偿力F。。mp，并将其再反馈回所述执行器等效模块。
2.如权利要求1所述的一种人机耦合重载携行系统的装置，其特征在于一组所述足底压力传感器为两个，分别放置在与人体前脚掌和后脚跟接触的部位，所述足底压力传感器输出电压信号。
3.如权利要求1所述的一种人机耦合重载携行系统的装置，其特征在于所述控制器模块中预置的PID控制器的数学模型表达式Gpid为GPID = Kp+TnS+Tj/s式中KP为比例系数，Td为微分系数，T1为积分系数。
4.如权利要求2所述的一种人机耦合重载携行系统的装置，其特征在于所述控制器模块中预置的PID控制器的数学模型表达式Gpid为Gpid = Kp+TnS+Tj/s式中KP为比例系数，Td为微分系数，T1为积分系数。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种人机耦合重载携行系统的装置，其特征在于 所述执行器位置计算模块内预置的活塞杆位置Y与膝关节角度变化值θ的关系式为Y = ^Distl2 + Distl2 — 2 χ DistX χ Distl χ cos(0mit — θ)式中θ init是人体静止直立时所述膝关节的初始角度值，Distl是所述液压缸在所述大腿零件上的连接点至所述膝关节之间的距离；Dist2是所述液压缸在所述小腿零件上的连接点至所述膝关节之间的距离；所述放大器模块内预置的关系式Ka为
6.如权利要求5所述的一种人机耦合重载携行系统的装置，其特征在于根据所述步态判断模块得到的步态，在以下范围内选取6 #的值0 彡 GYtoF 彡 1866其中，当处于单腿行走摆动时，Gytop = 0。
7.如权利要求1 6任一项所述的一种人机耦合重载携行系统的控制方法，包括以下步骤1)在人机耦合重载携行系统刚肢体的大腿零件上设置一液压缸，将液压缸的活塞杆连接刚肢体的小腿零件上，在活塞杆的内端设置一圈凸缘将液压缸分隔成一液压腔和一气体蓄能腔；同时，在刚肢体的控制系统中设置与人体对应的足底压力传感器和膝关节角度传感器，以及设置在一控制板卡上的步态判断模块、执行器位置计算模块、控制器模块、放大器模块、液压调节模块、执行器等效模块、支撑负重补偿模块和两加法器；2)足底压力传感器采集足底压力信息，膝关节角度传感器采集膝关节旋转角度信息；3)步态判断模块将得到的足底压力传感器信号与其内预置的给定阈值进行比较和判断，并根据判断结果，选择以下三种控制指令之一执行①当处于单腿行走支撑时，则执行位置闭环控制和力闭环控制指令，进入步骤4)；②当处于双腿静止支撑时，则执行位置闭环控制指令，进入步骤5)；③当处于单腿行走摆动时，则执行渐变开环控制指令，进入步骤6)；4)执行器位置计算模块根据得到的膝关节角度传感器输出的膝关节角度期望变化值 θ 和其内预置的活塞杆位置Y与膝关节角度变化值θ的关系式，计算出活塞杆期望位置 Yraip，并输出给加法器；执行器位置计算模块根据得到的膝关节角度传感器输出的膝关节角度实际变化值和其内预置的活塞杆位置Y与膝关节角度变化值θ的关系式，计算出活塞杆实际位置Yart，并输出给加法器；加法器将得到的活塞杆的期望位置Yrap与实际位置Yart相减，并将计算得到的偏差值输出给控制器模块；另一加法器将得到的足底压力传感器信号与预置在控制系统中的足底期望信号值相减，并将计算得到的偏差值输出给控制器模块；控制器模块根据得到的活塞杆的期望位置Yexp与实际位置Yart的偏差值，以及足底压力传感器信号与足底期望信号值的偏差，和其内预置的PID控制器的数学模型表达式Gpid, 计算出电压控制信号Uctrl,并将其输出给放大器模块，进入步骤7)；5)将活塞杆期望位置Yexp设置为人在双腿静止支撑状态时执行器活塞杆输出位置的最大值Ymax，并输出给加法器；执行器位置计算模块根据得到的膝关节角度传感器输出的膝关节角度实际变化值和其内预置的活塞杆位置Y与膝关节角度变化值θ的关系式，计算出活塞杆实际位置Yart，并输出给加法器；加法器将得到的活塞杆的期望位置Yrap与实际位置Yart相减，并将计算得到的偏差值输出给控制器模块；控制器模块根据得到的活塞杆的期望位置Yexp与实际位置Yart的偏差值和其内预置的 PID控制器的数学模型表达式(iPID，计算出电压控制信号Uctrl，并将其输出给放大器模块，进入步骤7)；6)执行器位置计算模块根据得到的膝关节角度传感器输出的膝关节角度期望变化值 θ 和其内预置的活塞杆位置Y与膝关节角度变化值θ的关系式，计算出活塞杆期望位置 Yraip，并输出给加法器；加法器将得到的活塞杆的期望位置Yraip直接输出给控制器模块；控制器模块根据得到的活塞杆的期望位置Yexp，和其内预置的PID控制器的数学模型表达式(iPID，计算出电压控制信号Uctrl,并将其输出给放大器模块；7)放大器模块通过其内预置的关系式Ka将得到的电压控制信号Uctrl转换为伺服电流量I，并将其输出给液压调节模块；8)液压调节模块通过其内预置的关系式Gsv将得到的伺服电流量I转换为伺服阀阀门的开度大小xv，并将其输出给执行器等效模块；9)执行器等效模块通过其内预置的等效数学模型表达式将得到的伺服阀阀门的开度大小Xv和支撑负重补偿模块反馈回来的支撑负重补偿力F。。mp转换为活塞杆应该输出的位置Ynrad,并将其输出给支撑负重补偿模块；10)支撑负重补偿模块通过其内部预置的等效数学模型G。。mp将活塞杆应该输出的位置 Yneed转换为活塞杆应该输出的支撑负重补偿力F。。mp，并将其再反馈给执行器等效模块，返回步骤2)，直至控制系统发出指令结束循环。
8.如权利要求7所述的一种人机耦合重载携行系统的控制方法，其特征在于所述步骤4)中，预置在控制系统中的足底期望信号与预先指定的足底期望支撑力Frap对应，所述足底期望支撑力Fero为扣除人体自重后负重和重载携行系统装置自重重量之和。
全文摘要
本发明涉及一种人机耦合重载携行系统装置及其控制方法，其特征在于在人体足底、重载携行系统刚肢体的膝关节安放压力和角度传感器实时感知人体和重载携行系统刚肢体的运动信息和力信息，为人机耦合控制提供了实时准确的信息；采用人机耦合智能控制方法，根据不同的步态采用不同的控制算法，对执行装置进行位置反馈控制和力反馈控制，将传感器感知的人体运动信息和力信息，进行滤波和融合处理，转换为控制参数，控制执行器实时随动输出合适的力，实时跟踪人体运动并为人体运动提供高效合适的助力；采用气体蓄能密闭腔执行器装置，实现了液压缸回程运动的助力效果，从而提升了人机耦合运动的柔顺性和舒适性。
文档编号A61F2/70GK102440854SQ20111026002
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月5日 优先权日2011年9月5日
发明者刘放, 周宏 , 张向刚, 朱家元, 程文明, 邓振挺, 郭庆 申请人:中国人民解放军总后勤部军需装备研究所