人機外骨骼系統及其力控制方法

專利名稱：人機外骨骼系統及其力控制方法
技術領域：
本發明涉及計算機人工智能技術領域，更具體地，本發明涉及一種人機外 骨骼系統及其力控制方法。
背景技術：
人機外骨骼系統是一種結合人的智能與機械裝置的機械能量的特殊機械系 統，其中的機械裝置一般類似人形，穿戴在人身上，能夠承擔人體承受的大部 分負荷，因此稱為外骨骼，而外骨骼的動作受人控制，形成人機結合系統。
外骨骼控制中的一個關鍵問題是讓控制器知道操作者的意圖，在控制外骨 骼跟隨操作者的同時，保持人和外骨骼之間的作用力較小，達到外骨骼承擔負 荷，降低人體能量消耗的功能。
目前外骨骼的控制有采用預編程技術實現外骨骼運動，有采用肌電傳感器 測量人的意識，控制驅動器產生輔助力矩，也有采用角度傳感器測量人體運動，
從而控制外骨骼運動。現有的系統和控制方法不同程度存在缺陷采用預編程 技術實現的運動方式有限，而人的運動方式是隨時發生改變的；采用肌電傳感 器需要在人體皮膚表面粘貼肌電傳感器，使用不便，并且在劇烈運動中，容易 脫落、易位，長時間運動后，人體出汗會影響傳感器的測量，肌電傳感器隨人 的個體不同，存在一定的差異等缺點；采用角度傳感器則需要將這些傳感器安 裝在人體上，使用不便。

發明內容
為克服現有人機外骨駱系統及控制方法的實現運動方式有限、使用不便的 缺陷，本發明提供一種人機外骨骼系統及其力控制方法。
根據本發明的一個方面，提供了一種人機外骨骼系統，包括足底傳感器以 及外骨骼各關節角度傳感器、角速度傳感器和角加速度傳感器的其中一個或者
多個，分別安裝在所劃分的軀體控制模塊上，其特征在于
所述系統還包括外骨骼多維力傳感器，配置在外骨骼的軀干重心和上肢末 端，用于測量人機之間的交互力。
其中，所述足底傳感器包括各種形式的壓力開關、壓力傳感器和壓力鞋墊 的一個或者多個，用于獲取人體運動模態。
其中，所述壓力開關和壓力傳感器在鞋底的安裝方式包括每個鞋底可以 安裝一個或者多個，并且可以安裝在腳跟或者腳尖。
其中，所述多維力傳感器的安裝位置還可以在外骨骼下肢體末端，人體通 過所述末端和外骨骼進行交互，以使所述外骨骼獲取人體運動模態。
其中，在外骨骼的肢體環節上安裝所述多維力傳感器用于冗余控制。
其中，使用所述外骨骼各關節角度、角速度和角加速度傳感器的其中一個 或者多個間接測量所需信號，并變換為所需量值；或者采用直接測量，獲得所 需量值；所述控制模塊包括左臂控制模塊、右臂控制模、支撐腿控制模塊和擺 動腿控制模塊，并且可視為三鏈串行機械臂或者四鏈串行機械臂
根據本發明的另一方面，提供了使用上面所述任一人機外骨骼系統的力控 制方法，包括
步驟IO)、根據外骨骼關節角度信號、外骨骼自身質量屬性和外骨骼幾何
屬性，獲取雅可比矩陣和重力補償力矩；
步驟20)、根據測得的多維力傳感器信號，獲取外力補償力矩； 步驟30)、才艮據所述雅可比矩陣和所述外力補償力矩，獲取關節補償力矩； 步驟40)、才艮據所述重力補償力矩和所述關節補償力矩，獲取驅動器補償
力矩，控制驅動器輸出控制力矩，實現外骨骼運動的力控制。
其中，步驟10)還包括
根據所需控制的自由度，選定所述關節角度信號；所述外骨骼幾何屬性包
括其各個環節的長度、環節重心到環節一端點的長度、環節重心到環節中軸線 的垂直高度，并通過對外骨骼軀干在操作空間的位置的表達進行微分處理，獲
取雅可比矩陣；根據外骨骼動力學方程，得到靜態力矩平衡方程，通過外骨骼 幾何屬性和質量屬性，得到重力補償力矩。
其中，步驟30)還包括所述關節補償力矩可以包括關節阻尼力矩-K^，
用于改善動態響應過程，其中^是相應的可調阻尼矩陣參數，4為關節角速度 信號。
其中，步驟40)還包括根據所述重力補償力矩和所述關節補償力矩，應 用力控制率方程，獲取驅動器補償力矩，所述力控制率方程為
其中，r。為驅動器補償力矩，r表示廣義空間的力和力矩，Z(《)r為外力補 償力矩；G(《)為重力補償力矩；-/^4為阻尼力矩，可作為外力補償力矩的一部 分。
本發明提出的人機系統外骨骼系統及其力控制方法不需直接在人體上安 裝任何傳感器，也不需要外骨骼復雜的動態模型，通過在人機之間的多維力傳 感器使得外骨骼了解人的意圖，同時與外骨骼本身的狀態信號相配合，實現外 骨骼對人體運動的跟蹤，并保持較小的人機作用力，達到省力的目的，控制簡
單方便。


圖1為人機外骨骼系統示意圖2為處于支撐相的人機外骨骼系統示意圖3為人機外骨骼系統的力控制方法原理圖及流程圖4為根據實施例的關節角度跟蹤仿真曲線示意圖，其中a、 b和c分別示 出踝關節、膝關節和髖關節的角度跟蹤仿真曲線；
圖5為才艮據實施例的在操作空間的人機作用力曲線示意圖，其中a、 b和c 分別示出X方向和Y方向的人機廣義力以及繞Z軸人^/L廣義力矩；
圖6為才艮據實施例的在關節空間的人才幾作用力曲線示意圖，其中a、 b和c 分別示出踝關節、膝關節和髖關節的人機關節力矩。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的一種人機外骨骼系統及其力控 制方法進4于詳細描述。
本發明提出的人機外骨骼系統及其力控制方法，用于控制外骨骼跟隨人體 運動，且保持人機作用力較小。這里所說的力是一個廣義的力，包括力和力矩， 力是指人機之間的作用力。所述系統包括傳感器、控制器和驅動器。所述控制 器根據所述傳感器測量得到的信息，實時生成驅動器的控制信號，控制驅動器 輸出控制力矩，實現外骨骼對人機運動的跟蹤，并保持人機作用力較小。
劃分控制模塊
將上肢、下肢、軀干劃分為不同的控制模塊。以軀干和上肢左臂組成左臂 控制模塊；以軀干和上肢右臂組成右臂控制模；以軀干和支撐腿組成支撐腿控 制模塊；以軀干和擺動腿組成擺動腿控制模塊。其中左臂控制模塊、右臂控制 模塊和擺動腿控制模塊均以軀干作為基點，以手和腳作為末端；而支撐腿則以 腳部作為基點，以軀干中心作為末端。同時，每個模塊可視為三鏈串行機械臂 或者四鏈串行機械臂，如圖1所示。 確定運動模態
對于左臂控制模塊和右臂控制模塊，其運動模態僅有一種，即自由擺動模 態。而對每條腿來說，其腳部觸地時處于支撐模態，腳部離地時處于擺動模態。 圖1中，外骨骼一條腿處于支撐模態，另一條腿處于擺動模態，而上肢則可始
終視為處于擺動模態，圖中黑色部分為多維力傳感器。圖2為另一實施例，外 骨骼的兩條腿均處于支撐模態。
根據拉格朗日動力學方程，可以得到外骨骼動力學方程的一般表達式為
+ C(《， +財+ = ra + rte (1)
其中，《表示關節角度，々表示關節角度的微分，即關節角速度，々表示關 節角度的兩次微分，即關節角速度，//(《)是慣性矩陣，C(《,W是Coriolis項和 離心項，A為運動摩擦系數，G(《)是重力引起的力矩，在系統及其應用方法的設 計中，首先要補償掉這一部分力矩；r。表示驅動器施加的力矩，4表示人機力 矩，是人施加給外骨骼的力/力矩。從公式(1)可以看出，若驅動器不工作， 即t;-O,則外骨骼運動所需的力矩均需要由人來施加，即4,而設計系統控制
的目的就是使得驅動器輸出大部分控制力矩，從而大大減小人機力矩^ 。
根據圖3a所示的外骨骼力控制原理圖，圖中G。表示外骨骼的動態模型，// 表示人機之間相互作用的動態，其具體形式未知，C表示所設計的力控制器，& 表示人的關節角度，是不可測量的。
力控制率為
3Wr(9)"D",) (2) 其中，r表示驅動器施加的廣義力和力矩，且r為/的函數，即7 = ,(/),其 形式不唯一，并稱Z(《)r為外力補償力矩，其中，/為多維力傳感器的輸出信號， 表示人機之間在操作空間的作用力/力矩，同時，在關節空間的人機作用力矩 ^-^(g)/; G(《)用于補償重力力矩；i^是一個正定增益矩陣，-尺j為關節提 供一個額外的阻尼力矩來改善系統的動態響應過程。該控制率在本發明的一個 實施例中，形式并不唯一，其中的-K^也可以是其它與系統狀態有關的量，而 G(^可以是自適應的、模糊的、魯棒的等其它形式的補償方法。
在根據本發明的實施例中，基于圖2所示的系統結構，詳述本發明所提出的系統和方法。
配置人機外骨骼系統的足底傳感器，安裝于外骨骼的鞋(靴)中，用于獲
得足底壓力信號，從而判斷系統運動模態；傳感器包括各種形式的壓力開關、 壓力傳感器、壓力鞋墊等。壓力開關和壓力傳感器在鞋底的安裝方式有多種 每個鞋底可以安裝一個或者多個，可以安裝在腳跟或者腳尖；壓力鞋墊則只有 陣列多少之分。
配置外骨骼多維力傳感器，安裝于外骨骼的軀干重心、鞋(靴)上，上肢 末端，用于測量人機之間的交互力；多維力傳感器的安裝位置在外骨骼肢體末 端，人體通過這些末端和外骨骼進行交互，使得外骨骼了解人的意圖；在外骨 骼的軀干上也需要安裝多維力傳感器；如果采用冗余控制，則在外骨骼的肢體 環節上也可以安裝多維力傳感器。
配置外骨骼各關節角度、角速度、角加速度傳感器，安裝于外骨骼的關節 或者環節(大腿就是一個環節、小腿也是一個環節，其它類似)上，用于測量 外骨骼的關節角度、關節角速度和關節角加速度信號；所述傳感器可以采用一 個或者多個；所述傳感器可以是單一功能的多個傳感器，亦可是多功能傳感器； 所述信號可以采用間接測量，即用其它傳感器測量其它量，經過轉換變換為所 需量，也可以采用部分直接測量，部分經數學計算獲得。
通過獲得的足底壓力信號，根據人體運動規律，判斷當前運動模態；所述 運動模態指人體下肢是處于支撐模態，還是處于擺動模態。
根據運動模態以及所獲得的傳感器信號，實施力控制，減小人機作用力。 對于某一條腿來說，當壓力傳感器輸出壓力信號大于某一閾值(閾值可以是0N、 1N......ION等，由設計者確定，比如在支撐狀態時，人體的重量壓在上面，壓力
輸出值比較大，而人想抬腿時，這個壓力減小，抬起時，變為擺動模態，壓力 變為0附近，因此，可以取一個較小的值)時，判斷該腿處于支撐模態，小于 這一閾值時，判斷該腿處于擺動模態。
在此實施例中，外骨骼軀干和支撐腿組成支撐腿模塊，該模塊中以腳為基 點，以軀干重心為末端，在X-Y平面內可以看作一個三鏈串行機械臂。其運動 模態為支撐模態，擺動模態的控制方法與之類似，不再贅述。以下參見圖3b所 示的力控制流程圖。
1.計算雅可比矩陣。
根據圖2，由幾何關系，可得
<formula>formula see original document page 10</formula>(3)
— m —
其中;c、 y和P表示外骨骼軀干在操作空間的位置，A和A分別表示外骨骼 小腿和大腿的長度，Z^表示外骨骼軀干重心至髖關節的長度。
對公式(3 )右側進行偏微分，并令《=[仏《2 "f，得到雅可比矩陣
其中，
<formula>formula see original document page 10</formula>(4)
(5)
(6)
(7)
所屬技術領域的普通技術人員應當清楚，根據控制模塊的不同，所述雅可 比矩陣有所不同。
2.由(1)式，令4 =《=0，得到靜態時的力矩平衡方程
<formula>formula see original document page 10</formula>(8)
根據圖2所示的幾何關系，得到重力力矩
<formula>formula see original document page 10</formula> (9)
其中
<formula>formula see original document page 11</formula>
G3 =si, +《2 + ^ )g (12) 其中，m,和化分別為外骨骼軀干、大腿、小腿的質量，g為重力加速度， 此重力力矩即為(2)式中的重力補償力矩。本領域的普通技術人員應當清楚， 根據不同的配置，或者根據不同的關節角度定義，該重力力矩矩陣可以有所不 同。
3.在此實施例中，設定
+ (13)
其中尺,和^為可設計的參數，/表示人在廣義空間(操作空間)施加于外
骨骼軀干的廣義力，即人機作用力，由六維力傳感器測量得到，在此實施例中， 僅考慮在X-Y平面內的運動，因此，只取其中的三個量，即
(14)
其中，y;和y;表示操作者施加與外骨骼軀干的二維平面力，7;表示操作者施
加與外骨骼軀干繞z軸的旋轉力矩。
將j(《)轉置后和r相乘，得到外力補償力矩。
4. 該實施例中，設計關節阻尼力矩-A:^改善系統的動態響應過程，其中^ 是可設計的參數，42 W為測量得到的關節角速度信號。
5. 根據上述補償力矩及阻尼力矩，并根據(2)式，計算得到最終的補償
總力矩:
6.將上述補償總力矩作為控制信號，控制輸出力矩信號，從而控制外骨骼 運動。
為了說明本發明提出方法的有效性，針對該實施例，進行仿真分析。以磚
起動作為例，仿真說明及結果分析如下
外骨骼跟隨人體的運動情況如圖4所示，可以看出外骨骼很好的跟蹤了人 體的運動，兩條曲線幾乎重合，其中，實線表示人的三個關節角度曲線，點劃 線表示外骨骼的三個關節角度曲線。圖5所示為在操作空間中的人機作用力(力 矩)曲線，圖6所示為在關節空間中的人才幾作用力矩曲線。其中實線為控制器 不工作，外骨骼的所有控制力矩由操作者施加時的人機作用力(力矩)曲線， 點劃線為控制器工作時，驅動器施加大部分控制力矩時的人機作用力(力矩) 曲線，可以看出在控制器工作時，人4幾作用力(力矩)大大減小，這說明外骨 骼及其負荷主要由外骨骼來承擔，而操作者只需施加較小的控制力即可。
最后應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案并且不限于此， 而是在應用上可以延伸到其他的修改、變化、應用和實施例，并且因此認為所 有這樣的修改、變化、應用、實施例都在本發明的精神和范圍內。
權利要求
1、一種人機外骨骼系統，包括足底傳感器以及外骨骼各關節角度傳感器、角速度傳感器和角加速度傳感器的其中一個或者多個，分別安裝在所劃分的軀體控制模塊上，其特征在于所述系統還包括外骨骼多維力傳感器，配置在外骨骼的軀干重心和上肢末端，用于測量人機之間的交互力。
2、 權利要求l的系統，其中，所述足底傳感器包括各種形式的壓力開關、 壓力傳感器和壓力鞋墊的一個或者多個，用于獲取人體運動^f莫態。
3、 權利要求2的系統，其中，所述壓力開關和壓力傳感器在鞋底的安裝方 式包括每個鞋底可以安裝一個或者多個，并且可以安裝在腳跟或者腳尖。
4、 權利要求l的系統，其中，所述多維力傳感器的安裝位置還可以在外骨 骼下肢體末端，人體通過所述末端和外骨骼進行交互，以使所述外骨骼獲取人 體運動意圖。
5、 權利要求l的系統，其中，可以在外骨骼的肢體環節上安裝所述多維力 傳感器用于冗余控制。
6、 權利要求l的系統，其中，使用所述外骨骼各關節角度、角速度和角加 速度傳感器的其中一個或者多個間接測量所需信號，并變換為所需量值；或者 采用直接測量，獲得所需量值；所述控制模塊包括左臂控制模塊、右臂控制模、 支撐腿控制模塊和擺動腿控制模塊，并且可視為三鏈串行機械臂或者四鏈串行 機械臂
7、 使用權利要求l-6任一項所述的人機外骨骼系統的力控制方法，包括 步驟IO)、根據足底傳感器獲得的信號、外骨骼關節角度、角速度和角加速度信號的一個或者多個以及外骨骼自身質量屬性和外骨骼幾何屬性，獲取雅 可比矩陣和重力補償力矩；步驟20)、才艮據多維力傳感器測得的信號，獲取外力補償力矩；步驟30)、才艮據所述雅可比矩陣和所述外力補償力矩，獲取關節補償力矩； 步驟40) 、 4艮據所述重力補償力矩和所述關節補償力矩，獲取驅動器補償 力矩，控制驅動器輸出控制力矩，實現外骨骼運動的力控制。
8、 權利要求7的方法，其中，步驟10)還包括根據所需控制的自由度，選定所述關節角度信號；所述外骨骼幾何屬性包 括其各個環節的長度、環節重心到環節一端點的長度、環節重心到環節中軸線的垂直高度，并通過對外骨骼軀干在操作空間的位置的表達進行微分處理，獲 取雅可比矩陣；根據外骨骼動力學方程，得到靜態力矩平衡方程，通過外骨骼 幾何屬性,得到重力補償力矩。
9、 權利要求7的方法，其中、步驟30)還包括所迷關節補償力矩可以包 括關節阻尼力矩-《j,用于改善動態響應過程，其中A^是相應的可調阻尼矩陣參數，4為關節角速度信號。
10、 權利要求7的方法，其中，步驟40)還包括根據所述重力補償力矩 和所述關節補償力矩，應用力控制率方程，獲取驅動器補償力矩，所述力控制 率方程為U(^f)r-g+G。) 其中，r表示力和力矩，Z(^"為外力補償力矩；G(g)為重力補償力矩；^ 是正定增益矩陣，-Kj為關節提供阻尼力矩。
全文摘要
本發明提出一種人機外骨骼系統及其力控制方法，根據所需控制模態的要求，配置足底傳感器和外骨骼本身的狀態傳感器；通過在人機之間安裝的多維力傳感器，使得外骨骼了解人的意圖；通過所述傳感器獲取的信息，計算外骨骼各個關節驅動器的控制力矩；然后控制外骨骼關節旋轉，實現外骨骼對人體運動跟蹤的同時，保持人機之間的作用力處于較低的水平，達到省力的目的，無需在人體上安裝復雜的傳感器，簡單實用。
文檔編號A61F2/70GK101336848SQ200810214409
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月22日 優先權日2008年8月22日
發明者張遠山, 朱宇光, 侃 楊, 楊智勇, 楊秀霞, 穆國巖, 顧文錦 申請人:中國人民解放軍海軍航空工程學院