一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法

摘要

本发明公开了一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法，该方法包括以下步骤：(1)该方法首先采集小臂上的多维力传感器的信号；(2)实时控制器将多维力传感器接触点的力转换为该点期望的速度，通过运算进而得出肩关节和肘关节的期望角度；(3)实时控制器根据PID算法，运算并输出控制电机的电压信号；电机驱动器将该电压信号转化为控制电机的电流信号；大臂电机和小臂电机根据电流信号的大小，实现对肩关节和肘关节运动角度的控制，进而实现上肢大小臂位置的控制；本发明在人机间交互问题上有效、可靠，并具有对人体运动意图快速响应的特点。

主权项

一种可穿戴式助力外骨骼上肢机构的控制方法，其特征在于，所述可穿戴式助力外骨骼上肢机构包括：左臂、右臂、背架(1)、实时控制器和电机驱动器等；其中，所述左臂和右臂结构相同，分别铰接在背架(1)的两侧；电机驱动器与实时控制器相连；所述左臂与右臂均包括：大臂电机(2)、从动圆柱齿轮(3)、肩关节旋转编码器(4)、球铰(5)、大臂(6)、小臂电机(7)、从动锥齿轮(8)、肘关节旋转编码器(9)、多维力传感器(10)、小臂(11)、手掌(12)、主动圆柱齿轮(13)、主动锥齿轮(14)、小臂绑带(15)等；其中，大臂电机(2)安装在背架(1)的上端一侧；大臂电机(2)的输出轴与主动圆柱齿轮(13)固定连接；从动圆柱齿轮(3)铰接在背架(1)上，并与主动圆柱齿轮(13)啮合传动，在铰接处设置肩关节旋转编码器(4)；球铰(5)的一端与从动圆柱齿轮(3)固定连接，另一端与大臂(6)上端固定连接；大臂(6)下端与小臂(11)的上端铰接，在铰接处设置肘关节旋转编码器(9)；小臂电机(7)设置在大臂(6)上，主动锥齿轮(14)与小臂电机(7)输出轴固定连接；从动锥齿轮(8)固定在小臂(11)上，并与主动锥齿轮(14)啮合传动；小臂(11)的下端与手掌(12)铰接；多维力传感器(10)设置在小臂(11)上，多维力传感器(10)与小臂绑带(15)相连；大臂电机(2)和小臂电机(7)均与电机驱动器相连；肩关节旋转编码器(4)、肘关节旋转编码器(9)和多维力传感器(10)均与实时控制器相连；该方法包括如下步骤：(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；将大臂(6)和小臂(11)旋转至平行位置，此时，初始化肩关节旋转编码器(4)和肘关节旋转编码器(9)，将肩关节旋转编码器(4)和肘关节旋转编码器(9)的数值调零；同时，初始化多维力传感器(10)；(2)当大臂(6)和小臂(11)相对转动时，采集小臂(7)上的多维力传感器(10)的信号；(3)通过实时控制器的运算与通信模块将多维力传感器(10)接触点的力F转换为该点期望的速度v；v＝K_vF其中：F为多维力传感器(10)上测得的人‑机之间的作用力，设$F=\left[\begin{array}{c}{F}_x\\ F_y\\ M_z\end{array}\right],$F_x为x轴的作用力，F_y为y轴的作用力，M_z为z轴的力矩；K_v为对角矩阵，K_v＝diag(k_x,k_y,k_w)，k_x为x轴的线速度增益参数，k_y为y轴的线速度增益参数，k_w为z轴的转动角速度增益参数；v为多维力传感器(10)安装点的运动速度，设$v=\left[\begin{array}{c}{v}_x\\ v_y\\ w_z\end{array}\right],$v_x为x轴的线速度，v_y为y轴的线速度，w_z为z轴的转动角速度；(5)计算雅可比矩阵的逆矩阵ω＝J^‑1v，得出肩关节和肘关节的期望速度ω，再对其进行积分，得出肩关节和肘关节的期望角度矩阵q_d；(6)实时控制器通过采集运算肩关节旋转编码器(4)和肘关节旋转编码器(9)的角度信息q，输出控制电机的电压信号u(t)；$u\left(t\right)=k_{p}e\left(t\right)+\frac{1}{k_i}{\int }_0^{t}e\left(t\right)dt+k_d\frac{de\left(t\right)}{dt}$其中，e(t)＝q_d(t)‑q(t)，q_d(t)为实时控制器通过采集运算得出的肩关节和肘关节的期望角度矩阵，q(t)为肩关节和肘关节对应旋转编码器测量到的角度矩阵；k_p为比例系数，k_i为积分时间常数，k_d为微分时间常数；(7)电机驱动器将步骤6得到的电压信号u(t)转化为控制电机的电流信号，大臂电机(2)和小臂电机(7)根据电流信号的大小，实现对大臂电机(2)与小臂电机(7)旋转角度的控制，进而实现对肩关节和肘关节旋转角度的控制。