本發(fā)明涉及外骨骼，特別是涉及一種重載下單腿液壓助力外骨骼控制方法、控制裝置及外骨骼。

背景技術(shù)：

1、可穿戴下肢助力外骨骼是一種增強(qiáng)穿戴者負(fù)重能力的人機(jī)一體化裝置，可用于應(yīng)急救援、國(guó)防軍工等領(lǐng)域。液壓驅(qū)動(dòng)器由于具有輸出力和力矩大、功率重量比高等優(yōu)勢(shì)，因而非常適用于下肢助力外骨骼這種的緊湊重型系統(tǒng)。在助力外骨骼系統(tǒng)中，通過(guò)減小人機(jī)作用力可以實(shí)現(xiàn)外骨骼精確跟蹤人的運(yùn)動(dòng)，從而使穿戴者實(shí)現(xiàn)輕松負(fù)重，因此高精度人機(jī)作用力控制算法設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)外骨骼助力功能的重要保障。另一方面，下肢助力外骨骼的能源供應(yīng)系統(tǒng)必須隨身攜帶，能量源非常有限。為保證較長(zhǎng)的工作時(shí)間，系統(tǒng)能效也不可忽視。如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)下肢液壓助力外骨骼高精度與高能效力控制是提高外骨骼性能的關(guān)鍵技術(shù)。

2、在實(shí)現(xiàn)液壓外骨骼高精度高能效力控制時(shí)，需要解決兩方面的問(wèn)題。首先是液壓外骨骼高精度高能效電液系統(tǒng)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的下肢液壓助力外骨骼電液系統(tǒng)常采用閥控系統(tǒng)方案，由于閥控系統(tǒng)存在節(jié)流損失、溢流損失等，導(dǎo)致傳統(tǒng)的液壓外骨骼能效水平低。其次是基于選定的電液系統(tǒng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的外骨骼高精度高能效力控制算法?，F(xiàn)有液壓助力外骨骼控制方法重點(diǎn)解決液壓外骨骼系統(tǒng)固有的強(qiáng)耦合高階非線性，建模不確定性的影響，僅能實(shí)現(xiàn)高精度力控制，并沒(méi)有考慮能耗問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)的能耗較大。另外，特別是在重載情況下，液壓油的油液壓縮性不可忽略，這給泵閥流量分配帶來(lái)了困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對(duì)在重載情況下，液壓油存在油液壓縮性導(dǎo)致泵閥流量分配困難的問(wèn)題，提供一種重載下單腿液壓助力外骨骼控制方法、控制裝置及外骨骼。

2、一種重載下單腿液壓助力外骨骼控制方法，其外骨骼的踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的三個(gè)液壓系統(tǒng)均采用并聯(lián)式泵閥協(xié)調(diào)電液系統(tǒng)；每個(gè)并聯(lián)式泵閥協(xié)調(diào)電液系統(tǒng)包括并聯(lián)式協(xié)調(diào)的泵控部分和閥控部分；所述泵控部分包括一個(gè)可變轉(zhuǎn)速泵和決定可變轉(zhuǎn)速泵出口流量方向的兩個(gè)開(kāi)關(guān)閥sv1、sv2；所述閥控部分包括四個(gè)伺服閥pv1、pv2、pv3與pv4；根據(jù)各關(guān)節(jié)中液壓缸的有桿腔期望流量α2p、無(wú)桿腔期望流量q1m，進(jìn)行各關(guān)節(jié)的泵閥流量分配，進(jìn)而得到各關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的變轉(zhuǎn)速泵和伺服閥的控制電壓，控制單腿液壓助力外骨骼的行動(dòng)；

3、所述泵閥流量分配的方法包括確定液壓缸i對(duì)應(yīng)的變轉(zhuǎn)速泵的控制電壓upi和確定液壓缸i對(duì)應(yīng)的伺服閥的控制電壓upv1i，upv2i，upv3i，upv4i，根據(jù)控制電壓對(duì)泵控部分與閥控部分進(jìn)行控制；

4、其中，確定液壓缸i對(duì)應(yīng)的變轉(zhuǎn)速泵的控制電壓upi的方法包括以下步驟：

5、確定變轉(zhuǎn)速泵是給液壓缸i無(wú)桿腔提供流量還是給液壓缸i有桿腔提供流量，并據(jù)此控制相應(yīng)開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)：

6、計(jì)算q1madi和α2padi：令q1mad＝[q1mad1?q1mad2?q1mad3]t；

7、

8、如果q1mi·q1madi≤0，那么q1madi＝0；

9、如果α2pi·α2padi≤0，那么α2padi＝0；

10、式中，q1madi是q1mad的第i個(gè)元素，q1madi和α2padi分別表示第i個(gè)關(guān)節(jié)采用關(guān)節(jié)參考軌跡對(duì)液壓缸無(wú)桿腔補(bǔ)償?shù)牡皖l部分的期望流量和液壓缸有桿腔補(bǔ)償?shù)牡皖l部分的期望流量，xdi表示液壓缸i的運(yùn)動(dòng)參考軌跡，是xdi關(guān)于的一階偏導(dǎo)數(shù)，v1di＝vh1i+a1ixdi和v2di＝vh2i-a2ixdi分別是第i個(gè)液壓缸處可壓縮容腔v1i和v2i采用運(yùn)動(dòng)參考軌跡xdi代替xli的表達(dá)形式，是彈性模量的估計(jì)值，

11、n1d＝diag{a11/v1d1,a12/v1d2,a13/v1d3}，n2d＝diag{a21/v2d1,a22/v2d2,a23/v2d3}，

12、α2pad＝[α2pad1?α2pad2?α2pad3]t，

13、

14、φ4cd＝[03×7?03×3?03×3?n2dα2pad-qvd?i3×3]t，是外骨骼系統(tǒng)參數(shù)的估計(jì)值，fldad是各關(guān)節(jié)處液壓缸期望補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)力，和分別是fldad關(guān)于和t的偏導(dǎo)數(shù)，是液壓缸i中有桿腔模型不確定性常值部分的估計(jì)值，是第i個(gè)液壓缸有桿腔期望壓力的導(dǎo)數(shù)，q1mi是第i個(gè)關(guān)節(jié)的無(wú)桿腔期望流量，α2pi是第i個(gè)關(guān)節(jié)的有桿腔期望流量；

15、計(jì)算液壓缸i對(duì)應(yīng)的變轉(zhuǎn)速泵的期望輸出流量qpdi：qpdi＝sw1i·q1madi-sw2i·α2padi；

16、如果0≤qpdi≤qpbound，那么qpdi＝0；

17、式中，qpbound表示使用變轉(zhuǎn)速泵的最小邊界流量；

18、計(jì)算液壓缸i對(duì)應(yīng)的變轉(zhuǎn)速泵的控制電壓為式中，kp為流量增益系數(shù)。

19、本發(fā)明還提供了一種重載下單腿液壓助力外骨骼控制裝置，其采用了如上所述的重載下單腿液壓助力外骨骼控制方法；所述控制裝置包括：

20、多個(gè)并聯(lián)式泵閥協(xié)調(diào)電液系統(tǒng)；每個(gè)并聯(lián)式泵閥協(xié)調(diào)電液系統(tǒng)包括并聯(lián)式協(xié)調(diào)的泵控部分和閥控部分；所述泵控部分包括一個(gè)可變轉(zhuǎn)速泵ps1和決定可變轉(zhuǎn)速泵ps1出口流量方向的兩個(gè)二通開(kāi)關(guān)閥sv1、sv2；所述閥控部分包括四個(gè)二通電液伺服閥pv1、pv2、pv3與pv4和一個(gè)液壓油源ps2，電液伺服閥pv1和pv2控制液壓油源ps2流向相應(yīng)液壓缸兩腔的流量，電液伺服閥pv3和pv4控制相應(yīng)液壓缸兩腔流向油箱的流量；

21、流量獲取模塊，其用于針對(duì)單腿液壓助力外骨骼各關(guān)節(jié)的并聯(lián)式泵閥協(xié)調(diào)電液系統(tǒng)，根據(jù)各關(guān)節(jié)的參考轉(zhuǎn)動(dòng)角度參考轉(zhuǎn)動(dòng)角速度參考轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度液壓缸實(shí)際驅(qū)動(dòng)力fl、實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度q、實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角速度得到各關(guān)節(jié)的有桿腔期望流量α2p＝[α2p1α2p2α2p3]t和無(wú)桿腔期望流量q1m＝[q1m1?q1m2q1m3]t；其中，用i表示三個(gè)關(guān)節(jié)的序號(hào)，則第i個(gè)關(guān)節(jié)的有桿腔期望流量為α2pi，第i個(gè)關(guān)節(jié)的無(wú)桿腔期望流量為q1mi；

22、控制電壓獲取模塊，其用于根據(jù)α2p、q1m計(jì)算各關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的ps1、pv1、pv2、pv3、pv4的控制電壓，以進(jìn)行各關(guān)節(jié)的泵閥流量分配。

23、本發(fā)明還提供了一種重載下單腿液壓助力外骨骼，其采用了如上所述的重載下單腿液壓助力外骨骼控制方法。

24、相較于現(xiàn)有的外骨骼的控制方法，本發(fā)明的一種重載下單腿液壓助力外骨骼控制方法及裝置具有以下有益效果：

25、1、該重載下單腿液壓助力外骨骼控制方法，其外骨骼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式，具有能夠輸出較大的力或扭矩、動(dòng)作響應(yīng)靈敏、易于控制、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

26、2、該重載下單腿液壓助力外骨骼控制方法，液壓系統(tǒng)采用并聯(lián)式泵閥協(xié)調(diào)電液系統(tǒng)方案，構(gòu)造獨(dú)立運(yùn)行的泵控部分與閥控部分，讓泵控部分提供主要流量，閥控部分提供微小流量，在不損失精度的前提下，提升了下肢助力外骨骼電液系統(tǒng)的能效水平。

27、3、該重載下單腿液壓助力外骨骼控制方法，其傳感器系統(tǒng)主要由背部力傳感器和關(guān)節(jié)編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)較可靠人機(jī)交互。

28、4、該重載下單腿液壓助力外骨骼控制方法，采用了力控制方法。利用自適應(yīng)魯棒控制算法(arc)來(lái)設(shè)計(jì)上下層控制器，有效克服了單腿液壓助力外骨骼的高階非線性、模型不確定性的影響。下層控制器中液壓缸無(wú)桿腔采用位置跟蹤控制，液壓缸有桿腔采用壓力跟蹤控制，使得液壓缸一腔的壓力始終處于最小壓力狀態(tài)。解決了現(xiàn)有的外骨骼的控制方法能耗大的技術(shù)問(wèn)題，不僅實(shí)現(xiàn)了液壓助力外骨骼對(duì)人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行良好的跟隨和助力，還降低了系統(tǒng)能耗，實(shí)現(xiàn)了更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

29、5、該重載下單腿液壓助力外骨骼控制方法，流量分配采用泵提供低頻流量，閥提供高頻流量的方案，解決了重載下油液壓縮性不可忽略導(dǎo)致的流量分配的難題，降低了重載下的系統(tǒng)能耗。

30、6、該重載下單腿液壓助力外骨骼控制方法，將人的運(yùn)動(dòng)作為整個(gè)外骨骼系統(tǒng)的外界輸入，保證了行走時(shí)的平衡狀態(tài)。此外，采用上下層級(jí)聯(lián)力控制算法，實(shí)現(xiàn)外骨骼對(duì)人的軌跡跟隨?？刂品椒▽?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)，且控制靈活。

31、7、該重載下單腿液壓助力外骨骼控制裝置和重載下單腿液壓助力外骨骼，其有益效果與上述該重載下單腿液壓助力外骨骼控制方法的有益效果相同。