一种应用于步行踝关节线驱外骨骼的力位置混合控制方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于步行踝关节线驱外骨骼的力位置混合控制方法，该方法包括：根据传感器采集的数据得知当前的步态周期百分比；根据步态周期百分比判断当前阶段；结合力控制和位置控制、根据当前阶段选择阶段控制方法和阶段控制参数对电机输出控制指令；判断控制系统是否继续运行，若触发停止控制部件或外骨骼主控制器判断为异常状态时进行执行停止电机转动操作。本发明专利技术采用了结合力控制和位置控制的控制策略，结合两者的优势，解决了踝关节线驱外骨骼的控制问题，达成减少力控制的电机需求及电能消耗的效果，同时减少位置控制的调试难度。调试难度。调试难度。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于步行踝关节线驱外骨骼的力位置混合控制方法


[0001]本专利技术涉及外骨骼控制领域，特别涉及一种应用于步行踝关节线驱外骨骼的力位置混合控制方法。

技术介绍

[0002]外骨骼机器人模仿生物世界昆虫的外骨骼，是一种结合了人类智能的可穿戴设备，作为一种新型的机电设备，通过集成传感、控制、信息融合等技术，在为使用者提供保护的基础上，给使用者提供动力及其他服务；外骨骼技术有广阔的运用场景，可应用在工业领域、医疗领域、救灾领域、军事领域。
[0003]线驱外骨骼是一种新兴的外骨骼样式，通过电机拉扯鲍登线，鲍登线拉扯相应关节，从而达到辅助相应关节的目的；鲍登线上安装拉力传感器，可以达到监控鲍登线拉力的目的；现有的线驱外骨骼主要有两种，包括基于力控制、基于位置的控制；基于力控制，根据力偏差去控制电机的速度，以减小偏差，基于位置的控制，即让电机行走某种位置曲线，然后通过鲍登线的力传感器读数修正曲线。
[0004]其中，基于力控制的控制方法中电机运转会在一定程度上跟随踝关节的角度变化，在不施加辅助力时，鲍登线放松即可，然而随动的位移变化要求电机能够有较大的速度变化，因此电机的性能要求较高，尺寸较大，消耗的电能也更多，并且现有的基于力控制的外骨骼电机因为较重，大多数并没有安装在人体上；而基于位置控制的控制方法往往需要根据力传感器的读数手动调整曲线，迭代周期较长。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本专利技术的第一目的在于，提出了一种应用于步行踝关节线驱外骨骼的力位置混合控制方法，该控制方法对步行的踝关节线驱外骨骼进行控制，在具备力控制可以实时跟踪辅助力变化的基础上，降低对于外骨骼电机的需求，从而降低外骨骼的整体重量，并且通过减少随动的位移变化，降低电能的消耗。
[0006]本专利技术的第二目的在于提供一种应用于步行踝关节线驱外骨骼的力位置混合控制系统。
[0007]本专利技术的第三目的在于提供一种存储介质。
[0008]本专利技术的第四目的在于提供一种计算设备。
[0009]为了达到上述第一目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]一种应用于步行踝关节线驱外骨骼的力位置混合控制方法，包括以下步骤：
[0011]采集信号：根据压力传感器采集数据与预设压力阈值判断是否触地，用于标定当前的步态周期起始点；
[0012]判断当前阶段：根据步态周期百分比判断当前阶段；
[0013]控制电机：结合力控制和位置控制，根据当前阶段选择阶段控制方法和阶段控制参数对电机输出控制指令；
[0014]判断是否继续运行：若穿戴者按下外骨骼上的停止电钮或外骨骼主控制器判断进入异常状态，电机接收到停止指令，执行停止电机转动操作；否则继续执行所述采集信号、判断当前阶段、控制电机的步骤；其中所述异常状态包括传感器故障、电机故障、外骨骼主控制器的控制算法错误。
[0015]作为优选的技术方案，所述根据步态周期百分比判断当前阶段，具体包括以下步骤：
[0016]划定过往三个步态周期的滑窗；
[0017]取滑窗的周期时长均值为当前步态周期的预测周期时长，基于当前步态周期的预测周期时长计算当前步态周期百分比；
[0018]预设阶段划分标准，根据当前的步态周期百分比在预设阶段划分标准的所属范围判断当前阶段。
[0019]作为优选的技术方案，所述根据当前阶段选择阶段控制方法和阶段控制参数对电机输出控制指令，包括以下步骤：
[0020]当前阶段为第一阶段时，基于位置控制进行预紧处理，包括以下步骤：设置第一阶段期望位置，根据第一阶段当前位置和第一阶段期望位置的偏差，经过PID后得到第一阶段期望速度，将第一阶段期望速度作为控制指令传输给电机执行第一阶段期望速度；
[0021]当前阶段为第二阶段时，基于力控制进行增大辅助力，包括以下步骤：根据第二阶段实际辅助力与第二阶段预期辅助力的偏差经过PID控制策略运算后得到第二阶段期望速度，将第二阶段期望速度作为控制指令传输给电机执行实现辅助力的上升段；
[0022]当前阶段为第三阶段时，基于位置控制进行松弛处理，包括以下步骤：设置第三阶段期望位置，根据第三阶段当前位置和第三阶段期望位置的偏差，经过PID控制策略运算后得到第三阶段期望速度，将第三阶段期望速度作为控制指令传输给电机执行第三阶段期望速度。
[0023]作为优选的技术方案，所述第一阶段期望速度和所述第三阶段期望速度，采用以下公式计算得出：
[0024]e
L
＝L
DES
‑
L
MOTOR
[0025][0026]其中，L
DES
为电机的阶段预期位置，L
MOTOR
为电机的阶段当前位置，e
L
为电机的阶段预期位置和阶段当前位置的位置偏差；V
DES
为电机的阶段期望速度，K
p
表示为比例环节的增益，K
d
表示为微分环节的增益，表示为位置偏差的变化，即前一个e
L
与当前e
L
的差值，K
i
表示为积分环节的增益；
[0027]所述第一阶段期望速度和所述第三阶段期望速度的值不同。
[0028]作为优选的技术方案，所述第二阶段期望速度采用以下公式计算得出：
[0029]e
F
＝F
DES
‑
F
ACT
[0030][0031]其中，F
DES
为阶段预期辅助力，F
ACT
为阶段实际辅助力，e
F
为阶段预期辅助力和阶段实际辅助力的辅助力偏差；V
DES
为电机的阶段期望速度，K
p
表示为比例环节的增益，K
d
表示为
微分环节的增益，表示为辅助力偏差的变化，即前一个e
F
与当前e
F
的差值，K
i
表示为积分环节的增益。
[0032]作为优选的技术方案，所述阶段控制参数采用以下方法调试，具体步骤包括：
[0033]步骤S1、初始化控制环境参数，具体包括：
[0034]设置辅助力样式；
[0035]根据电机性能设置电机最大转速及最大速度增量；
[0036]设置第一阶段期望位置和第三阶段期望位置；
[0037]设置3个阶段各自的PID参数；其中所述PID参数包括比例环节的增益、微分、积分环节的增益；
[0038]步骤S2、调节第一阶段PID参数；
[0039]步骤S3、调整第三阶段期望位置和第三阶段PID参数，具体包括：
[0040]设置第三阶段期望位置为大腿向前摆幅度最大时不产生辅助力的电机位置；
[0041]调节电机预期位置以放松鲍登线直至在无辅助段不产生辅助力；
[0042]第三阶段PID本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于步行踝关节线驱外骨骼的力位置混合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：采集信号：根据压力传感器采集数据与预设压力阈值判断是否触地，用于标定当前的步态周期起始点；判断当前阶段：根据步态周期百分比判断当前阶段；控制电机：结合力控制和位置控制，根据当前阶段选择阶段控制方法和阶段控制参数对电机输出控制指令；判断是否继续运行：若穿戴者按下外骨骼上的停止电钮或外骨骼主控制器判断进入异常状态，电机接收到停止指令，执行停止电机转动操作；否则继续执行所述采集信号、判断当前阶段、控制电机的步骤；其中所述异常状态包括传感器故障、电机故障、外骨骼主控制器的控制算法错误。2.根据权利要求1所述的应用于步行踝关节线驱外骨骼的力位置混合控制方法，其特征在于，所述根据步态周期百分比判断当前阶段，具体包括以下步骤：划定过往三个步态周期的滑窗；取滑窗的周期时长均值为当前步态周期的预测周期时长，基于当前步态周期的预测周期时长计算当前步态周期百分比；预设阶段划分标准，根据当前的步态周期百分比在预设阶段划分标准的所属范围判断当前阶段。3.根据权利要求1或2所述的应用于步行踝关节线驱外骨骼的力位置混合控制方法，其特征在于，所述根据当前阶段选择阶段控制方法和阶段控制参数对电机输出控制指令，包括以下步骤：当前阶段为第一阶段时，基于位置控制进行预紧处理，包括以下步骤：设置第一阶段期望位置，根据第一阶段当前位置和第一阶段期望位置的偏差，经过PID后得到第一阶段期望速度，将第一阶段期望速度作为控制指令传输给电机执行第一阶段期望速度；当前阶段为第二阶段时，基于力控制进行增大辅助力，包括以下步骤：根据第二阶段实际辅助力与第二阶段预期辅助力的偏差经过PID控制策略运算后得到第二阶段期望速度，将第二阶段期望速度作为控制指令传输给电机执行实现辅助力的上升段；当前阶段为第三阶段时，基于位置控制进行松弛处理，包括以下步骤：设置第三阶段期望位置，根据第三阶段当前位置和第三阶段期望位置的偏差，经过PID控制策略运算后得到第三阶段期望速度，将第三阶段期望速度作为控制指令传输给电机执行第三阶段期望速度。4.根据权利要求3所述的应用于步行踝关节线驱外骨骼的力位置混合控制方法，其特征在于，所述第一阶段期望速度和所述第三阶段期望速度，采用以下公式计算得出：e
L
＝L
DES
‑
L
MOTOR
其中，L
DES
为电机的阶段预期位置，L
MOTOR
为电机的阶段当前位置，e
L
为电机的阶段预期位置和阶段当前位置的位置偏差；V
DES
为电机的阶段期望速度，K
p
表示为比例环节的增益，K
d
表示为微分环节的增益，表示为位置偏差的变化，即前一个e
L
与当前e
L
的差值，K
i
表示为
积分环节的增益；所述第一阶段期望速度和所述第三阶段期望速度的值不同。5.根据权利要求3所述的应用于步行踝关节线驱外骨骼的力位置混合控制方法，其特征在于，所述第二阶段期...

【专利技术属性】
技术研发人员：王念峰，钟一弘，张宪民，黄伟聪，
申请(专利权)人：广东天物新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：