一种下肢外骨骼康复机器人柔顺控制方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体为一种下肢外骨骼康复机器人柔顺控制方法。

背景技术

近些年来，在经济高速发展与人口老龄化进程中，因脑卒中，脊髓损伤等疾病造成的下肢偏瘫、截瘫等下肢运动功能障碍的成年人逐年增多。对于偏瘫、截瘫等下肢运动功能障碍患者,及早介入康复治疗将极大提升后续的康复效果。下肢外骨骼康复机器人是一类能够使康复训练定量化、长效化、规范化的新型康复设备,它可提供有效的下肢运动功能辅助,促进患者受损神经功能重塑,量化评估康复过程并反馈康复进度。

下肢外骨骼康复机器人是一类穿戴于人体下肢的仿生型机器人，其机械结构主要由刚性连杆和伺服电机等构件组成，其中下肢外骨骼的髋关节和膝关节作为主动关节由伺服电机驱动，踝关节为被动关节由弹簧构件组成。因此机器人在辅助人体下肢进行固定步态轨迹跟踪训练时，由控制系统驱动髋关节和膝关节处的电机协同运动。

在机器人和患者进行柔顺的力交互时，期望位置和实际位置会产生误差，如何减少期望位置和实际位置产生的误差是本申请要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种下肢外骨骼康复机器人柔顺控制方法，解决了背景技术中的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种下肢外骨骼康复机器人柔顺控制方法，包括如下步骤：

S1：所述给出了一阶导纳控制模块的数学形式；

S2:根据该公式搭建Simulink控制模型，将该控制模型转换程c语言代码，烧录到控制器上运行；

S3:力矩传感器采集的人机交互力矩作为控制器的输入，输出一个角度偏差Δθ；

S4:上述角度偏差Δθ加上期望角度θ

进一步限定，所述一阶导纳控制模块的数学形式如下:

其中，M、B、K分别为刚度系数，阻尼系数和弹性系数，通过调节这三个参数，来达到合适的柔顺交互效果。θ、

进一步限定，所述非线性动力学模型的控制器构造如下:

其中：

K

K

本发明具备以下有益效果：该方法能够用于下肢需要康复训练的人群，在其使用下肢外骨骼机器人进行康复训练时，提供主动训练模式，使机器人和患者进行柔顺的力交互。该方法框架由两部分组成，第一部分为导纳控制模块，作为控制外环，力矩传感器检测到的交互力通过该模块输出一个角度偏差。第二部分为高精度轨迹跟踪模块，作为控制内环，上述得到的角度偏差加到期望角度上，得到新的期望角度，通过控制内环机器人关节运动到新的期望角度。上述机器人柔顺控制方法具有鲁棒性好，动态性能好，实用性强的特点。

附图说明

图1为本发明控制器Simulink模型；

图2为本发明控制器原理图；

图3为本发明结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种高精度下肢外骨骼康复机器人柔顺控制方法，包括以下步骤：

1)给出了一阶导纳控制模块的数学形式如下：

其中，M、B、K分别为刚度系数，阻尼系数和弹性系数，通过调节这三个参数，来达到合适的柔顺交互效果。θ、

2)根据该公式搭建Matlab/Simulink控制模型，将该控制模型转换程c语言代码，烧录到控制器上，运行；

3)力矩传感器采集的人机交互力矩作为控制器的输入，输出一个角度偏差Δθ；

4)S4:上述角度偏差Δθ加上期望角度θ

本申请的高精度位置控制器原理如下：

机器人系统的动力学方程的一般形式可以写为：

考虑用于轨迹跟踪控制的机械系统，假设期望轨迹q

(3)

因此，

这里我们让：

因此，给出系统的

式(2)的系统动力学方程可以改写成如下形式：

事实上，由于模型参数的变化和建模因素的动态性，系统中存在不确定性。因此，动态模型可分为标称部分和不确定部分。

其中

其中σ是机械系统中的不确定参数，它可能随时间而变化。

当所有的不确定性都被忽略时，则φ≡0。考虑下面的跟踪误差向量：

所要解决的问题是设计控制律τ(t)以保证跟踪误差在预定的边界内，对于任意给定的ε＞0(通常取任意小)和Kp，Kv>0，非线性动力学模型的控制器构造如下:

其中：

K

K

提出的高精度位置控制器是基于模型，可以很好地解决期望位置和实际位置产生的误差，而控制器中的p项可以很好地处理机械系统的不确定性和外部扰动，使被控对象获得更好的动态性能。

该方法能够用于下肢需要康复训练的人群，在其使用下肢外骨骼机器人进行康复训练时，提供主动训练模式，使机器人和患者进行柔顺的力交互。该方法框架由两部分组成，第一部分为导纳控制模块，作为控制外环，力矩传感器检测到的交互力通过该模块输出一个角度偏差。第二部分为高精度轨迹跟踪模块，作为控制内环，上述得到的角度偏差加到期望角度上，得到新的期望角度，通过控制内环机器人关节运动到新的期望角度。上述机器人柔顺控制方法具有鲁棒性好，动态性能好，实用性强的特点。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。