本发明涉及康复及智能仿生机器人领域，具体涉及一种可穿戴式单源仿生动力膝关节系统及其控制方法。
背景技术：
由于年龄增长、肌肉损伤、神经损伤、残障等原因，有很大一部分人的膝关节存在运动功能障碍。为了恢复他们的运动能力，促进膝关节的健康恢复，可以使用动力膝关节装置(也称为外骨骼膝关节机器人、膝关节助力机器人等)，从而为受损膝关节提供动力支持。为了解决使用者膝关节肌力较弱、运动障碍等问题，帮助他们重新恢复膝关节运动能力，开发具有自主知识产权的可穿戴式仿生动力膝关节康复装置并研究相应的控制策略具有重大的现实意义。
仿生动力膝关节控制的关键问题是采取何种合适的信号、并在恰当的时刻提供合适的动力辅助。中国专利公布的“一种外骨骼机械腿康复系统站立模式控制方法”(申请号201710103758.1)采用了基于肌电的控制方法，此方法受到个体特征差异、皮毛等因素影响，同时需要在使用前进行大量的训练和建模，在日常普遍快速应用推广中较困难。人机交互力相对不容易受到个体差异的明显影响。中国专利公布的“一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法”(申请号201510501879.2)中采用了直接把交互力信号乘以一常数系数得到辅助装置的末端期望驱动速度，此方法没有考虑人机交互过程中的动力学特性，所需要的控制能量较大，同时所生成的期望轨迹也不够平滑，不能灵活、柔顺、舒适地跟踪并辅助使用者。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种可穿戴式单源仿生动力膝关节系统及其控制方法，既可以用在行走过程中膝关节动力辅助，也可以用于康复训练过程中。
本发明的一个目的在于提出一种可穿戴式单源仿生动力膝关节系统。
本发明的可穿戴式单源仿生动力膝关节系统包括：大腿力传感器、小腿力传感器、大腿角度传感器、小腿角度传感器、智能控制单元、电机、大腿传动连杆和小腿传动连杆；其中，大腿传动连杆和小腿传动连杆的一端分别安装在仿生动力膝关节上，大腿传动连杆和小腿传动连杆的另一端分别设置大腿连接绷带和小腿连接绷带，分别通过大腿连接绷带和小腿连接绷带将仿生动力膝关节绑缚在使用者的大腿和小腿上；在大腿连接绷带与大腿传动连杆之间设置大腿力传感器和大腿角度传感器，以及在小腿连接绷带与小腿传动连杆之间设置小腿力传感器和小腿角度传感器；大腿力传感器、小腿力传感器、大腿角度传感器和小腿角度传感器分别连接至智能控制单元；智能控制单元连接至电机；电机连接至大腿传动连杆和小腿传动连杆；大腿力传感器和小腿力传感器采集使用者与仿生动力膝关节之间的交互力，大腿角度传感器和小腿角度传感器采集仿生动力膝关节的位置信息，分别传输至智能控制单元；智能控制单元根据交互力信息和位置信息，并通过雅可比变换，生成期望跟踪速度，并根据期望跟踪速度，通过比例积分微分PID控制，得到电机的输入电流命令，传送给电机，电机通过大腿传动连杆和小腿传动连杆控制仿生动力膝关节仿生动力膝关节运动，从而对仿生动力膝关节反馈控制，实现仿生动力膝关节能够根据使用者的运动意图快速跟随使用者的膝关节运动，对使用者实时提供辅助力支持。
大腿力传感器和小腿力传感器分别采用六维力传感器。
本发明的另一个目的在于提供一种可穿戴式单源仿生动力膝关节系统的控制方法。
本发明的可穿戴式单源仿生动力膝关节系统的控制方法，包括以下步骤：
1)在大腿连接绷带与大腿传动连杆之间设置大腿力传感器和大腿角度传感器，并连接至智能控制单元，以及在小腿连接绷带与小腿传动连杆之间设置小腿力传感器和小腿角度传感器，并连接至智能控制单元，智能控制单元连接至电机，电机连接至大腿传动连杆和小腿传动连杆，并分别通过大腿连接绷带和小腿连接绷带将仿生动力膝关节绑缚在使用者的大腿和小腿上，并保证仿生动力膝关节的回转运动与使用者的膝关节的回转运动相对吻合；
2)可穿戴式单源仿生动力膝关节系统通电后，通过自动校正零点的方式，使得仿生动力膝关节和力传感器归零；
3)大腿力传感器和小腿力传感器采集使用者与仿生动力膝关节之间的交互力信息，大腿角度传感器和小腿角度传感器采集仿生动力膝关节的位置信息，并传输至智能控制单元；
4)智能控制单元通过交互力信息和位置信息，提取力矢量特种参数，通过模式识别推断使用者的运动意图；
5)智能控制单元通过交互力信息和位置信息，并通过雅可比变换，生成仿生动力膝关节的期望跟踪速度；
6)智能控制单元根据生成的仿生动力膝关节的期望跟踪速度，通过比例积分微分PID控制得到电机的输入电流命令，传送给电机，电机通过大腿传动连杆和小腿传动连杆控制仿生动力膝关节运动，从而对仿生动力膝关节反馈控制；
7)重复步骤3)～6)，实现仿生动力膝关节根据使用者的运动意图快速跟随使用者的膝关节运动，对使用者实时提供辅助力支持。
在步骤2)中，在运动初始状态下，由于使用者个体的差异，其在绷带连接固定的情况下，力传感器的初始状态是不一致的，此时通过自动校正零点的方式，使得仿生动力膝关节和力传感器归零。
在步骤4)中，力矢量特种参数包括力的大小、速度和加速度。
在步骤5)中，智能控制单元通过交互力信息和位置信息，生成期望跟踪速度，包括以下步骤：
a)仿生动力膝关节实时跟随人体运动，其期望跟踪点为仿生动力膝关节的实时实际位置，则交互力与期望跟踪速度满足：
其中，V(s)为仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度，F(s)为使用者与仿生动力膝关节之间的交互力，Ma和Ba分别为可调节惯性参数和阻尼参数，s为拉普拉斯变换；
b)上述计算公式在时域下可以写成：
其中，V(t)为时域下t时刻的仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度，F(t)为时域下t时刻的使用者与仿生动力膝关节之间的交互力；
c)把上述时域计算公式写成离散形式：
其中，T为采样周期时间常数，Vn(t)为当前时刻的仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度，Vn-1(t)为上一时刻的仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度；
d)根据上述离散形式公式，得到当前时刻的仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度的计算推导公式：
e)根据仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度，通过雅可比运动关系转换成仿生动力膝关节的期望跟踪速度其计算公式如下：
其中，J为仿生动力膝关节的运动学雅可比矩阵。
在步骤6)中，智能控制单元根据生成的仿生动力膝关节的期望跟踪速度，通过PID控制得到电机的实际控制输出力矩命令τ，再根据电机的实际控制输出力矩命令τ，得到电机的输入电流命令Ic，计算公式如下：
其中，Kt为电机力矩常数。
本发明的优点：
本发明采用大腿力传感器和小腿力传感器采集使用者与仿生动力膝关节之间的交互力，大腿角度传感器和小腿角度传感器采集仿生动力膝关节的位置信息，分别传输至智能控制单元；根据交互力信息和位置信息，并通过雅可比变换，生成期望跟踪速度，再通过比例积分微分PID控制，得到电机的输入电流命令，传送给电机，电机通过大腿传动连杆和小腿传动连杆控制仿生动力膝关节仿生动力膝关节运动，从而对仿生动力膝关节反馈控制，实现仿生动力膝关节能够根据使用者的运动意图快速、灵活、平滑跟从使用者的膝关节运动，对使用者实时提供辅助力支持。
附图说明
图1为本发明的可穿戴式单源仿生动力膝关节系统的一个实施例的正视图；
图2为本发明的可穿戴式单源仿生动力膝关节系统的一个实施例的侧视图；
图3为本发明的可穿戴式单源仿生动力膝关节系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的可穿戴式单源仿生动力膝关节系统包括：大腿力传感器1、小腿力传感器2、大腿角度传感器3、小腿角度传感器4、智能控制单元5、电机6、大腿传动连杆7、小腿传动连杆8、大腿连接绷带9和小腿连接绷带10；其中，大腿传动连杆7和小腿传动连杆8的一端分别安装在仿生动力膝关节上，大腿传动连杆7和小腿传动连杆8的另一端分别设置大腿连接绷带9和小腿连接绷带，分别通过大腿连接绷带9和小腿连接绷带将仿生动力膝关节绑缚在使用者的大腿和小腿上；在大腿连接绷带9与大腿传动连杆7之间设置大腿力传感器1和大腿角度传感器3，以及在小腿连接绷带与小腿传动连杆8之间设置小腿力传感器2和小腿角度传感器4；大腿力传感器1、小腿力传感器2、大腿角度传感器3和小腿角度传感器4分别连接至智能控制单元5；智能控制单元5连接至电机6；电机6连接至大腿传动连杆7和小腿传动连杆8。
本实施例的可穿戴式单源仿生动力膝关节系统的控制方法，包括以下步骤：
1)在大腿连接绷带9与大腿传动连杆7之间设置大腿力传感器1和大腿角度传感器3，并连接至智能控制单元5，以及在小腿连接绷带与小腿传动连杆8之间设置小腿力传感器2和小腿角度传感器4，并连接至智能控制单元5，智能控制单元5连接至电机6，电机6连接至大腿传动连杆7和小腿传动连杆8，并分别通过大腿连接绷带9和小腿连接绷带10将仿生动力膝关节绑缚在使用者的大腿和小腿上，并保证仿生动力膝关节的回转运动与使用者的膝关节的回转运动相对吻合。
2)在运动初始状态下，由于使用者个体的差异，其在绷带连接固定的情况下，力传感器的初始状态是不一致的。可穿戴式单源仿生动力膝关节系统通电后，此时通过自动校正零点的方式，使得仿生动力膝关节和力传感器归零。
3)大腿力传感器1和小腿力传感器2采集使用者与仿生动力膝关节之间的交互力信息，大腿角度传感器3和小腿角度传感器4采集仿生动力膝关节的位置信息，并传输至智能控制单元5。
4)智能控制单元5通过交互力信息和位置信息，提取力矢量特种参数，包括力的大小、速度和加速度，通过模式识别推断使用者的运动意图；
5)智能控制单元5通过交互力信息和位置信息，并通过雅可比变换，生成仿生动力膝关节的期望跟踪速度：
a)仿生动力膝关节实时跟随人体运动，其期望跟踪点为仿生动力膝关节的实时实际位置，则交互力与期望跟踪速度满足：
其中，V(s)为仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度，F(s)为使用者与仿生动力膝关节之间的交互力，Ma和Ba分别为人机交互模型中的可调节惯性参数和阻尼参数，s为拉普拉斯变换；
b)上述计算公式在时域下可以写成：
c)把上述时域计算公式写成离散形式：
其中，T为采用周期时间常数，下标n代表当前时刻，下标n-1代表上一时刻；
d)根据上述离散形式公式，得到当前时刻的仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度的计算推导公式：
e)根据仿生动力膝关节末端的期望跟踪速度，通过雅可比运动关系转换成仿生动力膝关节的期望跟踪速度其计算公式如下：
其中，J为仿生动力膝关节的运动学雅可比矩阵。
6)智能控制单元5根据生成的仿生动力膝关节的期望跟踪速度，通过PID控制得到电机6的实际控制输出力矩命令τ，再根据电机6的实际控制输出力矩命令τ，得到电机6的输入电流命令Ic，Kt为电机力矩常数，输入电流命令Ic传送给电机6，电机6通过大腿传动连杆7和小腿传动连杆8控制仿生动力膝关节运动，从而对仿生动力膝关节反馈控制。
7)重复步骤3)～6)，实现仿生动力膝关节根据使用者的运动意图快速跟随使用者的膝关节运动，对使用者实时提供辅助力支持。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。