直接力检测装置、控制系统及直接力控制的外骨骼机器人的制作方法

本发明人体动力学领域，尤其涉及直接力检测装置、控制系统及直接力控制的外骨骼机器人。

背景技术：

助力外骨骼机器人是一种可穿戴的机器人，同时也是一种机械结构装置，穿戴在操作者的身体外部，为操作者提供了诸如背负重物、身体支撑等功能，同时又融合传感、控制、驱动等机器人重要技术，使得外骨骼能够在操作者的控制下完成一定的任务，例如在军事方面提高单兵作战效率，在民用方面大大增加人们在复杂地形处从事重体力劳动的能力。

现有的外骨骼控制策略设计大都复杂，例如hardiman采用的主从控制，内部的外骨骼为“主”，由操作者控制，为外部的“从”外骨骼提供命令，因此要求设计从外骨骼的内部预留人与主外骨骼的活动空间，使得系统变得相当复杂，而有些外骨骼的控制策略则要求精确的人与外骨骼动态模型，例如广义的地面反作用力(grf)，外骨骼系统所有的运动特性都需要被测量，精确知道外骨骼的动态模型参数，这都是特别困难的。同时现有的外骨骼存在以下不足：自由度与现有人体下肢匹配度不足，无法完成助力动作；采用的助力控制方法要求设计复杂庞大的外骨骼系统，对各个旋转关节的精度、制造工艺要求较高等。

为了解决上述问题，本发明提出直接力检测装置、控制系统及直接力控制的外骨骼机器人。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述问题，提出直接力检测装置、控制系统及直接力控制的外骨骼机器人。

直接力检测装置，包括接触力传感器、人腿挡板、绑缚装置和外骨骼腿部连杆；所述绑缚装置安装于人腿挡板上；所述接触力传感器一端与人腿挡板固定连接，另一端连接于外骨骼腿部连杆。

所述绑缚装置内侧设有海绵垫，防止外骨骼与人之间解除时造成不适或受伤。

所述接触力传感器与外骨骼腿部连杆的连接方式为铰连接。

直接力控制系统，包括力传感器、控制器、执行器；所述控制器输入端连接力传感器，输出端连接执行器，用于生成控制信号，驱动执行器控制被控对象。

所述被控对象为外骨骼关节；所述执行器包括伺服阀和液压油缸，接收关节力矩控制信号并驱动外骨骼关节。

直接力控制的外骨骼机器人，包括液压系统、控制系统、机械结构系统、传感器系统。

液压系统包括液压站与执行器，为外骨骼的关节运动提供控制力矩。

所述液压站，由液压泵等动力元件将机械能转化为压力，经过换向阀等多种元件控制液压的压力、流量等；

所述执行器通过液压油缸、伺服阀等执行元件将压力转化为机械能驱动外骨骼运动。

机械结构系统包括腰部结构、髋关节结构、膝关节结构、大小腿四连杆结构、踝关节结构和背负装置结构，起着承载和向地面传递载荷的作用。腰部关节设计成外展内收方式，长度上可调。髋关节为内旋外旋方式，同时左右腿可向内收缩。大腿设计前后摆动角度符合人关节的摆动角度，大腿长度为成可调整的结构。小腿与膝关节采用外置方法带绝对编码器，驱动机构的角度设置为人运动的正常角度。踝关节保留了背曲和跖屈的自由度，同时使用橡胶件缓冲来自地面的冲击载荷。液压站、电源板放置在背负装置中，防止背部重心偏倒，液压站放在正中位置，背部机箱两侧分别放置伺服放大器，背部机箱的上侧放置一块或多块节点板和主控板。

传感器系统作为外界环境对外骨骼机器人的输入接口，采用接触力传感器采集助力外骨骼人机之间的接触作用力。

控制系统是一个嵌入式分布式的系统，由多个节点控制模块、一个或多个电源管理模块、一个或多个主控制器模块构成。

所述主控制器模块与节点控制模块通过电源模块供电，节点控制模块用于执行采集数据等多种任务，主控制器模块构造力矩伺服控制器，并进行处理计算操作，生成外骨骼的关节力矩控制信号。

所述控制器为力矩伺服控制器，基于直接力控制方法，其控制规律为

式中：ta为驱动器施加的力矩，τ为可以设计的驱动器施加的广义控制力，即在操作空间中的控制力和控制力矩；g(q)为用于补偿静态重力力矩；kd为一个正定增益矩阵；j^t〔q)为外骨骼雅克比矩阵的转置，表示阻尼系数矩阵，为关节提供一个额外的阻尼力矩来改善系统的动态响应过程。

所述直接力控制方法是由根据拉格朗日公式得到外骨骼系统的动力学模型并推导而出的：

式中：h(q)为惯性矩阵；为coriolis项；f为运动摩擦系数；g(q)为重力项；ta为驱动器施加的力矩；thm为人机力矩，即操作者施加的力矩。不考虑其他的干扰力矩，则ta和thm之和为作用在外骨骼上的合力矩。

本系统基于直接力控制理论，对直接力控制方法进行简单优化，提出了符合助力外骨骼实际系统的直接力控制方法，不需要直接在人体上安装任何传感器，也不需要复杂外骨骼模型参数，通过人机之间的传感器获得人体运动意图，同时与外骨骼的状态信息结合，实现外骨骼对人的跟踪。在外骨骼上安装接触力传感器测得操作者施加在外骨骼上的接触力信息，将该力信息进行放大处理生成外骨骼关节的控制期望力矩，控制力矩经过力反馈调节，通过控制器产生控制信号作用于一个或多个伺服阀与油缸等液压装置，最后由执行器驱动外骨骼关节跟随人体的运动。

本发明的有益效果：

1.整个助力外骨骼采用液压控制系统，相比于采用电机驱动的方式，液压系统能够在重负载下具有快速的响应，并且体积小、重量轻、转矩惯性比大。

2.直接力控制方法对外骨骼系统要求精度不高，使得系统设计简单方便，同时可使得系统响应速度快、鲁棒性强，并且无需在人体上安装复杂的传感器便可以达到外骨骼跟随人体运动的同时保持人机之间的作用力处于较低水平的功能。

3.安装人机接触力传感器在外骨骼腿部连杆部件上，直接测量人作用到外骨骼的力信息，测量准确精度高，使得直接力控制方法的输入信息准确稳定，同时设计挡板与绑缚装置，防止操作者穿戴外骨骼时的不适或受伤，提高了穿戴者的安全性与舒适度。

4.采用伺服放大器作为液压站的驱动信号，大大降低了节点控制控制板的设计难度和增强液压站伺服阀的控制稳定性。

附图说明

图1是直接力控制的外骨骼机器人整体结构。

图2是直接力控制原理示意图。

图3是本系统直接力控制示意图。

图4是直接力检测装置示意图。

图5是力矩伺服控制器原理框图。

图中：10-背负装置；20-髋关节结构；30-液压油缸；40-膝关节结构；50-踝关节结构；60-智能鞋；70-腰部结构；80-大小腿四连杆结构；90-接触力传感器；100-铰连接；110-人腿挡板；120-绑缚装置；130-海绵垫；140-外骨骼腿部连杆。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式

直接力检测装置，包括接触力传感器(90)、人腿挡板(110)、绑缚装置(120)和外骨骼腿部连杆(140)；所述绑缚装置(120)安装于人腿挡板(110)上；所述接触力传感器(90)一端与人腿挡板(110)固定连接，另一端连接于外骨骼腿部连杆(140)。

所述绑缚装置(120)内侧设有海绵垫(130)，防止外骨骼与人之间解除时造成不适或受伤。

所述接触力传感器(90)与外骨骼腿部连杆(140)的连接方式为铰连接。

直接力控制系统，包括力传感器、控制器、执行器；所述控制器输入端连接力传感器，输出端连接执行器，用于生成控制信号，驱动执行器控制被控对象。

所述被控对象为外骨骼关节；所述执行器包括伺服阀和液压油缸，接收关节力矩控制信号并驱动外骨骼关节。

所述控制器为力矩伺服控制器，控制规律为：

式中，ta为控制器施加的力矩；

τ为操作空间中的控制力和控制力拒；

g(q)为用于补偿静态重力力矩；

表示阻尼系数矩阵；

j^t(q)为外骨骼雅克比矩阵的转置。

直接力控制的外骨骼机器人，包括液压系统、控制系统、机械结构系统、传感器系统；

所述传感器系统包括接触力传感器(90)；

所述控制系统包括节点控制模块、电源管理模块和主控制器模块；

所述液压系统包括液压站与执行器；

所述机械结构系统包括外骨骼结构和背负装置(10)；

所述液压站与电源管理模块设置于背负装置(10)内，节点控制模块与主控制器模块设置于背负装置(10)上侧。

所述外骨骼机构包括腰部结构(70)、髋关节结构(20)、膝关节结构(40)、大小腿四连杆结构(80)和踝关节结构(50)。

接触力传感器安装于大小腿四连杆结构(80)处，直接测量人作用到外骨骼的力信息。

所述主控制器模块通过构造力矩伺服控制器，生成外骨骼的关节力矩控制信号。

直接力控制的外骨骼机器人，还包括伺服放大器，伺服放大器设置于背负装置两侧，为液压系统提供驱动信号。

本实施例中，在大腿和小腿分别安装一个或多个接触力传感器来分别测量大腿和小腿人机之间的交互力。操作者通过图4中的绑缚装置(120)连接到人腿挡板(110)上，人腿挡板(110)与接触力传感器(90)采用固定连接方式，接触力传感器的另外一端采用铰连接(100)到外骨骼腿部连杆(140)，铰连接(100)使得接触力传感器(90)只测拉压力，排除扭矩的影响，设计的绑缚装置(120)则是为了测量力信息的准确有效性与安全性，在人与外骨骼之间放置一层较厚的海绵垫(130)作为绑缚装置(120)内侧缓冲区，防止外骨骼与人之间接触时造成不适或受伤。

通过接触力传感器采集到操作者作用于外骨骼的力信息后，将该力信息进行放大处理，作为力矩伺服控制器的参考输入。

力矩伺服控制器框图如图5所示，通过处理过可能产生的力信息作为外骨骼运动的期望力矩，由一个或多个伺服阀与液压油缸等执行器装置共同作用给外骨骼关节上产生实际力矩供给外骨骼机械结构运动，同时可能采用力反馈回路使得控制效果更为明显，因此在一个或多个关节处选取高精度的编码器，可能采用直接测量的方法，测量出外骨骼大小腿连杆运动时旋转过的角度等运动信息。

为了测得一个或多个关节的扭矩，可能在一个或多个液压缸活塞末端加入多个拉压传感器，测得液压缸的输出力，转换为液压缸施加的关节处的扭矩，由控制器输出的信号控制驱动器输出控制力矩，实现外骨骼对人体运动的跟踪，人机之间的作用力最小化。

本发明基于直接力控制理论，对直接力控制方法进行简单优化，提出了符合助力外骨骼实际系统的直接力控制方法，不需要直接在人体上安装任何传感器，也不需要复杂外骨骼模型参数，通过人机之间的传感器获得人体运动意图，同时与外骨骼的状态信息结合，实现外骨骼对人的跟踪。在外骨骼上安装接触力传感器(90)测得操作者施加在外骨骼上的接触力信息，将该力信息进行放大处理生成外骨骼关节的控制期望力矩，控制力矩经过力反馈调节，通过控制器产生控制信号作用于一个或多个伺服阀与油缸等液压装置，最后由执行器驱动外骨骼关节跟随人体的运动。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。