一種可穿戴式助力外骨骼上肢機構(gòu)的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機器人領(lǐng)域，尤其涉及一種可穿戴式助力外骨骼上肢機構(gòu)的控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 軍隊士兵經(jīng)常需要背負重物進行長距離行走或作戰(zhàn)，過重的負載常會對士兵身體 造成一定的傷害，在這種背景下，需要開發(fā)一款能在戰(zhàn)場環(huán)境中增強士兵速度、力量以及耐 力的外骨骼裝備；在科考、消防營救等領(lǐng)域，科考人員及消防營救人員常常需要長距離行 走、背負重物、運送傷員、野外作戰(zhàn)、登山探險等，傳統(tǒng)的輪式交通工具難以在這些特殊場合 發(fā)揮作用。除此之外，外骨骼也可以被用于倉庫的貨物裝卸，以減輕搬運工人的勞動強度。 外骨骼與人的組合能適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，擁有極好的靈活性，可以完成一些復(fù)雜的裝卸 的工作，如為戰(zhàn)斗機裝卸導(dǎo)彈等，這是其他的裝卸設(shè)備難以比擬的。外骨骼在這些領(lǐng)域的應(yīng) 用將對這些領(lǐng)域起到非常積極的作用。另外，老齡化正在全球蔓延，外骨骼的出現(xiàn)不僅可以 幫助一些老年人解決體力較差、行走不變的問題，也可以幫助一些喪失行動能力的人恢復(fù) 部分的行動能力。助力外骨骼的特點是要求在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下與穿戴者進行協(xié)作，這要求研 究人員需要解決非結(jié)構(gòu)性環(huán)境下高度協(xié)調(diào)的人機一體化問題，包括有效、可靠的人機間交 互問題，對人體運動意圖的快速響應(yīng)問題，輕便、靈活的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計，人機系統(tǒng)的安全性 問題等，這些技術(shù)問題還處于初級摸索階段，并不成熟，還需要進行深入的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可穿戴式助力外骨骼上肢機構(gòu)的 控制方法，該方法在人機間交互問題上有效、可靠，并具有對人體運動意圖快速響應(yīng)的特 點。
[0004] 為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種可穿戴式助力外骨骼上 肢機構(gòu)的控制方法，所述可穿戴式助力外骨骼上肢機構(gòu)包括：左臂、右臂、背架、實時控制器 和電機驅(qū)動器；其中，所述左臂和右臂結(jié)構(gòu)相同，分別鉸接在背架的兩側(cè)；電機驅(qū)動器與實 時控制器相連；
[0005] 所述左臂與右臂均包括：大臂電機、從動圓柱齒輪、肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器、球鉸、大 臂、小臂電機、從動錐齒輪、肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器、多維力傳感器、小臂、手掌、主動圓柱齒輪、 主動錐齒輪、小臂綁帶；其中，大臂電機安裝在背架的上端一側(cè)；大臂電機的輸出軸與主動 圓柱齒輪固定連接；從動圓柱齒輪鉸接在背架上，并與主動圓柱齒輪嚙合傳動，在鉸接處設(shè) 置肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器；球鉸的一端與從動圓柱齒輪固定連接，另一端與大臂上端固定連接； 大臂下端與小臂的上端鉸接，在鉸接處設(shè)置肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器；小臂電機設(shè)置在大臂上，主 動錐齒輪與小臂電機輸出軸固定連接；從動錐齒輪固定在小臂上，并與主動錐齒輪嚙合傳 動；小臂的下端與手掌鉸接；多維力傳感器設(shè)置在小臂上，多維力傳感器與小臂綁帶相連； 大臂電機和小臂電機均與電機驅(qū)動器相連；肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器、肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器和多維 力傳感器均與實時控制器相連；
[0006] 該方法包括如下步驟：
[0007] (1)初始化實時控制器的采樣周期T，取T的值在10到20毫秒之間；將大臂和小 臂旋轉(zhuǎn)至平行位置，此時，初始化肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器和肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器，將肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編 碼器和肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)值調(diào)零；同時，初始化多維力傳感器；
[0008] (2)當大臂和小臂相對轉(zhuǎn)動時，采集小臂上的多維力傳感器的信號；
[0009] (3)通過實時控制器的運算與通信模塊將多維力傳感器接觸點的力F轉(zhuǎn)換為該點 期望的速度V;
[0010] V = KvF
[0011] 其中：F為多維力傳感器上測得的人-機之間的作用力，設(shè) ，F(xiàn)x為X軸的 作用力，F(xiàn)ySy軸的作用力，z軸的力矩；KV為對角矩陣，Kv=diag(kx,ky,kw)，1^為X軸的線速度增益參數(shù)，1^為y軸的線速度增益參數(shù)，k"為z軸的轉(zhuǎn)動角速度增益參數(shù)；v為 多維力傳感器安裝點的運動速度，
，Vx為X軸的線速度，'為7軸的線速度，w2為 z軸的轉(zhuǎn)動角速度；
[0012](5)計算雅可比矩陣的逆矩陣《 = JV，得出肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的期望速度《，再 對其進行積分，得出肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的期望角度矩陣qd;
[0013] (6)實時控制器通過采集運算肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器和肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器的角度信息 q，輸出控制電機的電壓信號u (t);
[0015] 其中，e(t) = qd(t)_q(t)qd(t)為實時控制器通過采集運算得出的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān) 節(jié)的期望角度矩陣，q(t)為肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)對應(yīng)旋轉(zhuǎn)編碼器測量到的角度矩陣；k p為比例 系數(shù)，Ic1為積分時間常數(shù)，kd為微分時間常數(shù)；
[0016] (7)電機驅(qū)動器將步驟6得到的電壓信號u(t)轉(zhuǎn)化為控制電機的電流信號，大臂 電機和小臂電機根據(jù)電流信號的大小，實現(xiàn)對大臂電機與小臂電機旋轉(zhuǎn)角度的控制，進而 實現(xiàn)對肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度的控制。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明主要針對在長時間負重作業(yè)環(huán)境 下輔助或者增強人們上肢負重能力。其動力系統(tǒng)采用具有節(jié)能、穩(wěn)定、可控性高、占地面積 小、運轉(zhuǎn)率高、快速響應(yīng)，維修方便等特點的電機驅(qū)動方式。傳感器系統(tǒng)主要分布在大臂小 臂等位置來實現(xiàn)較有效、可靠的人-機交互。設(shè)置柔性機構(gòu)，采用擬人機構(gòu)設(shè)計，可穿戴式 的結(jié)構(gòu)設(shè)計適應(yīng)人體生理結(jié)構(gòu)，通過與人體上肢運動關(guān)節(jié)的耦合實現(xiàn)與人體協(xié)調(diào)運動。強 適應(yīng)能力的PID控制方法能夠讓上肢在各種復(fù)雜工況下依舊有良好的表現(xiàn)，具有響應(yīng)快， 跟隨性好等特點。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的整體形狀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明的肩關(guān)節(jié)局部放大圖；
[0020] 圖3是本發(fā)明的肘關(guān)節(jié)局部放大圖；
[0021] 圖4是實時控制器控制結(jié)構(gòu)框圖；
[0022] 圖5是本發(fā)明的控制流程圖；
[0023] 圖中，背架1、大臂電機2、從動圓柱齒輪3、肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器4、球鉸5、大臂6、小 臂電機7、從動錐齒輪8、肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器9、多維力傳感器10、小臂11、手掌12、主動圓柱 齒輪13、主動錐齒輪14、小臂綁帶15。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0025] 如圖1-3所示，一種可穿戴式助力外骨骼上肢機構(gòu)包括：左臂、右臂、背架1、實時 控制器、電機驅(qū)動器；其中，所述左臂和右臂結(jié)構(gòu)相同，分別鉸接在背架1的兩側(cè)；電機驅(qū)動 器與實時控制器相連；
[0026] 所述左臂與右臂均包括：大臂電機2、從動圓柱齒輪3、肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器4、球鉸 5、大臂6、小臂電機7、從動錐齒輪8、肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器9、多維力傳感器10、小臂11、手掌 12、主動圓柱齒輪13、主動錐齒輪14、小臂綁帶15;其中，大臂電機2安裝在背架1的上端一 偵h大臂電機2的輸出軸與主動圓柱齒輪13固定連接；從動圓柱齒輪3鉸接在背架1上，并 與主動圓柱齒輪13嚙合傳動，在鉸接處設(shè)置肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器4 ;球鉸5的一端與從動圓 柱齒輪3固定連接，另一端與大臂6上端固定連接，可實現(xiàn)內(nèi)外伸展一個自由度；大臂6下 端與小臂11的上端鉸接，在鉸接處設(shè)置肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器9 ;小臂電機7設(shè)置在大臂6上， 主動錐齒輪14與小臂電機7輸出軸固定連接；從動錐齒輪8固定在小臂11上，并與主動錐 齒輪14嚙合傳動；小臂11的下端與手掌12鉸接；多維力傳感器10設(shè)置在小臂11上，多維 力傳感器10與小臂綁帶15相連；大臂電機2和小臂電機7均與電機驅(qū)動器相連；肩關(guān)節(jié)旋 轉(zhuǎn)編碼器4、肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器9和多維力傳感器10均與實時控制器相連；
[0027] 如圖4所示，所述實時控制器包括運算與通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和控制輸出模 塊；其中，所述運算與通信模塊包括CPU、網(wǎng)絡(luò)通信、FPGA;CPU和網(wǎng)絡(luò)通信通過網(wǎng)線網(wǎng)卡相 連，CPU和FPGA通過PCI總線相連；所述數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)字輸入模塊和模擬輸入模塊； 所述控制輸出模塊為模擬輸出模塊；數(shù)字輸入模塊的數(shù)字輸出端口與FPGA的數(shù)字輸入端 口相連，模擬輸入模塊的模擬輸出端口與FPGA的模擬輸入端口相連，模擬輸出模塊的輸入 端口與FPGA的模擬輸出端口相連；肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器4與數(shù)字輸入模塊的肩關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)采集