一种远端变刚度可重构模块化外骨骼及其控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及辅助机器人，具体是涉及一种远端变刚度可重构模块化外骨骼及其控制系统和控制方法。

背景技术

传统的工业机器人能够在很大程度上替代人去完成部分重复劳动，既节约了人工成本也提高了生产效率，但其有着难以突破的局限性：首先，机器人无法完全取代人类的大脑，无法在实际生产中应对好各种偶然、特殊的场景，尽管可以结合当前正处于发展势头的机器视觉、人工智能等技术使得机器人具备一定程度的智能性，但落实到实际应用场景具有相当的技术难度，且也不能考虑到所有的实际情况。其次，人类具备视觉、听觉、触觉、温度等多种感知能力，同时可以根据感知到的信息迅速做出判断和决策。即便给机器人装备了各类传感器使其拥有了各项感知能力，涉及到信息融合处理的复杂程度也是极高的。同时，在一些特殊的作业场景中，机构复杂的工业机器人无法像人一样进行灵活作业。因此，“人-外骨骼”的人机共融协作成为了当下智能机器人研究的热点技术。

传统外骨骼为刚性驱动，而在众多的实际作业场景中，经常需要执行机构接触环境进行柔性交互，如：打磨、抛光和装配等。而传统刚性驱动外骨骼依赖于控制算法来实现作业中的柔顺性，而复杂的控制算法又依赖于对人体运动意图的识别来进行精确的模式识别。但在许多工业作业场景中，作业环境复杂，对传感信号的采集干扰较大，使人体的运动意图变得难以判断。同时，多传感融合及复杂算法对硬件要求极高，耗电量高，目前而言很难适应复杂的工业作业坏境。因此需要开发可主动变物理刚度的外骨骼机器人以满足多种作业场景的需求。

目前已有的用于工业作业的外骨骼多为无动力外骨骼或是准无动力外骨骼，此种外骨骼只能辅助工人进行简单作业，虽可在一定程度上减轻工人的作业负担，但并不能从根本提高作业的速度和质量。已有的成熟助力工业作业外骨骼目前主要集中在搬运外骨骼领域，搬运助力外骨骼从根上提高了工人搬运的效率且大大减轻了工人负担，但其针对的作业场景单一，并不具有很好的多作业场景适应性。因此，需要开发模块化可重构的助力外骨骼配合多关节协同作业控制算法以满足多种工业作业场景的需要。

在申请号为CN201921702812.5的中国专利申请中，公开了一种减少振动冲击的上肢工业外骨骼，包括固定振动工具的夹具，与人体上肢穿戴耦合的穿戴件。该种上肢工业外骨骼适用于使用振动工具的作业操作，但此种外骨骼仅能在一定程度上减少振动，且柔性机构刚度无法调节，适用的作业场景较少，同时无法为关节带来助力，不能根本上提高作业效率。

在申请号为CN202010132049.8的中国专利申请中，公开了一种上肢康复外骨骼机器人自适应柔顺控制方法，将导纳控制模型作为控制外环,自适应全局快速终端滑模控制器作为控制内环，形成完整的自适应柔顺控制回路。此种柔顺控制算法可以通过对运动轨迹的规划和控制来实现交互时的柔顺性，但在复杂作业环境中，此种柔顺控制方法对系统的实时响应性能提出了极高要求，难以实现。

在申请号为CN201711386675.4的中国专利申请中，公开一种模块化可重构多功能外骨骼机器人，包括轨道室内环境、多自由度支撑架和全身外骨骼装置。该发明适用于多个虚拟特定应用环境，功能结构多样化，模块化，可重构。但此种模块化可重构外骨骼将驱动机构均至于人体关节处，造成关节质量和惯量较大，且其不具备变刚度特性，因此在实际作业中会极大影响工人的作业舒适度。

发明内容

发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种重构外骨骼的结合主动改变物理交互刚度的远端变刚度可重构模块化外骨骼。

本发明还提供一种提升面向多作业场景作业的柔顺性及安全性的远端变刚度可重构模块化外骨骼控制系统和控制方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种远端变刚度可重构模块化外骨骼，包括穿戴机构、设置于穿戴机构上的若干远端变刚度驱动器、若干外骨骼模块，所述远端变刚度驱动器包括驱动电机、与驱动电机配合的减速器、与减速器输出固定连接的驱动转轴、安装在驱动转轴上的输入盘、同样安装在驱动转轴上的输出盘、调节输入盘和输出盘之间连接刚度的刚度调节装置，所述输入盘相对驱动转轴固定；输出盘绕驱动转轴转动；所述输出盘上绕有驱动套索；

所述外骨骼模块包括上连接板、设置于上连接板下端的下连接板、与下连接板上端固定连接的套索轮，所述下连接板和套索轮相对上连接板转动，所述驱动套索绕在套索轮上，输出盘、套索轮和驱动套索形成带传动；所述一个远端变刚度驱动器对应一个外骨骼模块。

进一步的，所述刚度调节装置包括若干设置于输入盘上面向输出盘一侧的输入滑轮、若干设置于输出盘上面向输入盘一侧的输出滑轮、用于输入滑轮和输出滑轮之间传递扭矩的钢丝绳，所述钢丝绳一端连接变刚度拉簧的一端，变刚度拉簧另一端与输入盘固定连接；所述钢丝绳另一端固定于绳盘上，绳盘通过调刚转轴定位于输入盘上，绳盘与调刚转轴固定连接且绳盘相对于输入盘旋转，调刚转轴平行于驱动转轴且穿过输入盘与从动带轮固定连接；所述刚度调节装置设置调刚电机，调刚电机输出轴连接蜗杆，蜗杆配合有涡轮，涡轮同轴固定有主动带轮，主动带轮和从动带轮上套设有同步带，所述主动带轮转动通过同步带带动从动带轮转动，从而带动绳盘转动。远端变刚度驱动器采用电机驱动，电机通过蜗轮蜗杆提高扭矩并带动驱动转轴转动。驱动转轴将扭矩转递给输入盘。输出盘与驱动转轴用轴承连接，并通过轴套定位，输入盘通过刚度调节装置将扭矩输出给输出盘。输入盘面对输出盘的一侧均匀分布滑轮组，与输出盘面对输入盘一侧设置的滑轮组通过一根钢丝绳绕线传递扭矩，钢丝绳一端与刚度拉簧和拉力传感器固定在输入盘上，另一端绕在设置于输入盘上的绳盘上。这就将此刚度调节装置串联在输入盘和输出盘之间，使系统具有柔顺性。通过控制钢丝绳的预紧力来改变关节角刚度。第一编码器的轴过盈插入驱动转轴轴孔内，第一编码器外壳通过传感器支架固定在输出盘上，用于测量输入盘和输出盘的弹性偏角θ。

从动带轮通过调刚转轴驱动绳盘，从而调节变刚度拉簧的伸长量以实现角刚度的变化。从动带轮通过同步带和涡轮-同步复合轮构成一个行星传动副。涡轮-同步复合轮包括同轴固定连接的涡轮和主动带轮，涡轮-同步复合轮通过轴承结构置于驱动转轴上，不受驱动转轴驱动。调刚电机通过与其固连的涡杆驱动涡轮-同步复合轮的涡轮部分，从而实现对涡轮-同步复合轮的驱动，再通过同步带实现了对从动带轮的驱动，实现了从动带轮的自转以改变驱动器刚度。而绳盘定位于输入盘上，因此其会随着输入盘的转动而绕着驱动转轴转动，使从动带轮也绕着驱动转轴进行公转。

外骨骼模块还包括外侧半轴板、内侧半轴板、连接支架、第二编码器，套索轮与外侧半轴板、内侧半轴板通过轴承连接，外侧半轴板、内侧半轴板再通过连接支架固连，套索轮与下连接板固定连接，上连接板与内侧半轴板固定连接。第二编码器外壳通过螺栓固定在套索轮内，第二编码器轴过盈插入内侧半轴板的轴孔内，用于测量外骨骼的转动角度。通过内侧半轴板和螺栓固定不同关节的上连接板，并通过连接板上预留的U型槽和螺纹孔固定不同关节的护具，同理下连接板也可通过预留的U型槽和螺纹孔固定不同的护具。对于不同关节仅需更换穿戴部件以及连接板便可使用。可以单个模块单独使用，也可多个组合使用，实现了可重构化和模块化的需求。

传感系统包括远端变刚度驱动器内的驱动电机的编码器、调刚电机的编码器、拉力传感器、第一编码器和外骨骼模块内的第二编码器。

所述远端变刚度驱动器还包括驱动器支架，驱动支架套设于驱动转轴，所述驱动电机固定于驱动支架上，驱动支架上端设置驱动套索穿过的通孔。

本发明还采用一种远端变刚度可重构模块化外骨骼的控制系统，包括数据采集模块、模型建立模块、判断模块和控制模块；所述数据采集模块用于实时采集外骨骼模块动作时外骨骼的数据；

所述模型建立模块用于根据数据采集模块采集的数据建立人机交互作业模型；

所述判断模块用于判断外骨骼模块进行的作业状态，以及根据外骨骼模块进行的作业状态判断是否对外骨骼模块进行控制；

所述控制模块用于控制远端变刚度驱动器对外骨骼模块进行控制。

进一步的，所述控制模块通过控制调刚电机和驱动电机的转速控制远端变刚度驱动器，将刚度和扭矩输出给外骨骼模块，实现对输出扭矩和输出刚度的控制。

本发明还采用一种远端变刚度可重构模块化外骨骼的控制方法，包括以下步骤：

步骤S100：对外骨骼模块进行不同作业场景下的模拟作业动作，同时采集外骨骼模块动作时外骨骼的数据；

步骤S200：根据采集的数据建立人机交互作业模型；包括期望扭矩轨迹模型和期望刚度轨迹模型；

步骤S300：使用外骨骼模块进行实际作业任务，同时实时采集外骨骼的数据，并根据人机交互作业模型判断此时外骨骼模块进行的作业状态；

步骤S400：根据外骨骼模块进行的作业状态判断是否对外骨骼模块进行控制；如果对外骨骼模块进行控制则进行步骤S500；

步骤S500：根据人机交互作业模型及外骨骼模块的作业状态，通过控制远端变刚度驱动器对外骨骼模块进行控制；根据设定的期望扭矩轨迹模型，采用扭矩估计模型对外骨骼模块辅助扭矩进行跟踪控制；根据设定的期望刚度轨迹模型，采用闭环PID控制来实现外骨骼模块刚度的跟踪控制；

步骤S600：重复步骤S300至步骤S500，直至实际作业任务完成；并实时采集作业任务完成过程中外骨骼的数据；

步骤S700：将实时采集的数据对人机交互作业模型进行修正。

进一步的，所述步骤S200中，将采集的外骨骼数据录入示教数据库，然后使用TP-GMM模型学习搬运示教数据库中的数据并生成概率扭矩轨迹，同时根据作业场景及人体动力学模型生成理论扭矩轨迹，根据理论扭矩轨迹对概率扭矩轨迹进行概率密度修正，得到期望扭矩轨迹模型；期望扭矩轨迹模型结合导纳控制的力学模型得到期望刚度轨迹模型。

进一步的，所述远端变刚度驱动器对外骨骼模块扭矩进行控制时的扭矩控制模型为：

其中，a为输入滑轮的滑轮中心到输入盘旋转中心的半径，K为钢丝绳和变刚度拉簧的等效刚度，b为输入滑轮组的中心距，c为输出滑轮的滑轮中心到输出盘旋转中心的半径，F

进一步的，所述远端变刚度驱动器对外骨骼模块刚度进行控制时的刚度控制模型为：

其中，θ1为驱动电机编码器示数，θ2为外骨骼模块编码器示数。

进一步的，所述步骤S400中，根据不同作业任务，对远端变刚度驱动器的弹性偏角θ设置阈值，在进行实际作业任务时，如果实时采集的弹性偏角θ低于设置的阈值，则远端变刚度驱动器刚度不进行助力作业。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是：

(1)将外骨骼模块化，与传统外骨骼相比，外骨骼采用可重构模块化设计，实现人体多个关节助力，可以单个模块单独使用，对于一些仅需单关节助力的场合适用性更佳，也可定制化多关节组合使用，可适应多种工作场景的需要，成本更低且后期维护方便；且采用远端的套索传动，减少关节的惯量，可以将质量大的仿生驱动器放置在背部，更加符合人体受力习惯，更方便在狭窄空间内作业。

(2)与传统变刚度驱动器相比，采用独特设计的行星传动副，调刚电机可以与驱动电机一起固连在电机固定架上，解决了以往的的调刚电机需要随输入或输出机构进行摆动的缺陷，大大减小了转动惯量和摩擦等不利于后续控制的非线性因素的影响。

(3)根据作业场景和人体动力学模型计算得到作业中的理论扭矩轨迹，再结合TP-GMM(任务参数化的高斯混合模型)机器学习模型和导纳控制模型，解算得到刚度轨迹，通过离线学习的方式对刚度轨迹不断进行调整，复杂的离线学习实现简单高效的在线控制。

(4)通过直接控制外骨骼模块的物理刚度来实现柔顺控制，同时通过定制模块化控制方法针对多个作业场景可以实现多关节协同控制的快速调整，对系统硬件的要求更低，同时开发更加方便快捷。

附图说明

图1所示为本发明中肘关节穿戴外骨骼模块的结构示意图；

图2所示为本发明中膝关节穿戴外骨骼模块的结构示意图；

图3所示为本发明中髋关节穿戴外骨骼模块的结构示意图；

图4所示为本发明中踝关节穿戴外骨骼模块的结构示意图；

图5所示为本发明中下肢(膝关节和踝关节)穿戴外骨骼模块的结构示意图；

图6所示为本发明中远端变刚度驱动器的结构分解图；

图7所示为本发明中远端变刚度驱动器的整体结构示意图；

图8所示为本发明中外骨骼模块的结构示意图；

图9所示为本发明中外骨骼模块的结构分解图；

图10所示为本发明控制方法的流程图；

图11所示为本发明控制方法中实时在线的控制方法框图；

图12所示为本发明控制方法中离线学习流程图。

具体实施方式

实施例1

如图1至图4所示，本实施例中的一种远端变刚度可重构模块化外骨骼，远端变刚度驱动器Ⅱ置于用户Ⅰ背部的穿戴机构上，通过外骨骼模块Ⅲ(肘关节、膝关节、踝关节、踝关节)，结合多关节变刚度作业控制方法以辅助用户Ⅰ进行作业。如图5所示，远端变刚度驱动器Ⅱ、Ⅲ置于用户Ⅰ背部的穿戴机构上，膝关节构型Ⅳ和踝关节构型Ⅴ组成了下肢构型，可用于康复和助力，此图所示仅为一种多模块组合方式，还可根据不同工况选择合适的关节构型组合，辅以模块化的变刚度控制算法，实现多场景的刚度自适应作业。

如图6所示，远端变刚度驱动器包括驱动器支架19，驱动器支架19通过螺栓连接电机支架18，驱动电机10和调刚电机28通过螺栓固定在电机支架18上，驱动器支架19下端两侧开孔用于驱动转轴14穿过，驱动器支架19上端开孔用于驱动套索32穿过。驱动电机10的输出轴固定连接减速器的蜗杆9，且驱动电机10延伸方向平行于蜗杆9的延伸方向，涡轮6与蜗杆9配合，蜗轮6通过紧定螺钉固定套设在驱动转轴14上，带动驱动转轴14转动。驱动转轴14通过深沟球轴承13定位在驱动器支架19上，并由支架前端盖8和支架后端盖11限位。输入盘1固定套设于驱动转轴14上，驱动转轴14和输入盘1采用花键连接方式，将大扭矩转递给输入盘1，输入盘1通过阶梯轴套34定位在驱动转轴14上。输出盘12通过深沟球轴承套设在驱动转轴14上，并通过两端轴套定位。

输入滑轮组通过滚子螺钉4固定在输入盘1上，输出滑轮组通过滚子螺钉固定在输出盘12上。在本实施例中，输入滑轮组包括6个输入滑轮2，输入滑轮2均匀分布于输入盘1一侧，与输出盘12一侧的6组滑轮(12个输出滑轮3)通过钢丝绳20绕线传递扭矩，钢丝绳20与输入滑轮2和输出滑轮3之间的设置关系参考现有技术申请号为2019107682555的中国专利申请，钢丝绳20一端与变刚度拉簧24一端相连，拉力传感器25通过两个吊环27分别和变刚度拉簧24和弹簧支架26相连，并通过弹簧支架26固定在输入盘1上；钢丝绳20另一端绕在绳盘5上，绳盘5通过调刚转轴15定位于输入盘上，调刚转轴15穿过输入盘1，调刚转轴15另一端与从动带轮固定连接，从动带轮转动带动调刚转轴15相对输入盘转动，从而带动绳盘转动。将此弹性机构串联在输入盘1和输出盘12之间，使系统具有柔顺性。第一编码器7通过螺栓固定在驱动器支架19上，并与输出盘相连，用于测量输入盘1和输出盘12由于弹性引起的偏转角度。

从动带轮通过同步带22和涡轮-同步复合轮23构成一个行星传动副，涡轮-同步复合轮23包括同轴固定连接的涡轮和主动带轮，且涡轮-同步复合轮23通过轴承结构套设于驱动转轴14上，不受驱动转轴14驱动。调刚电机28通过与其固连的涡杆驱动涡轮-同步复合轮23的涡轮部分，从而实现对涡轮-同步复合轮23的驱动，再通过同步带22实现了对从动带轮的驱动，实现了从动带轮的自转，绳盘5定位于输入盘1上，因此其会随着输入盘1的转动而绕着以驱动转轴14为中心轴转动，从而使从动带轮也通过同步带22绕着驱动转轴14所在轴线进行公转以改变驱动器刚度。

驱动套索32穿过驱动器支架19上端开孔套设在输出盘12上，驱动套索32还套设在外骨骼模块上，输出盘12通过驱动套索32将扭矩传递到外骨骼模块。

如图7和图8所示，外骨骼模块包括外侧半轴板35、轴承36、连接支架37、固定架38、上连接板39、限位块40、端盖41、第二编码器42、套索轮43、下连接板44、轴承45和内侧半轴板46。套索轮43一侧与端盖41通过螺栓连接，套索轮43另一侧与下连接板通过螺栓连接，轴承36和轴承45分别置于上述固定结构的两侧，轴承36置于外侧半轴板35的轴肩上，轴承45置于内侧半轴板46的轴肩上，外侧半轴板35与内侧半轴板46再通过连接支架37固连。内侧半轴板46上端固定连接固定架38，固定架38上方固定连接上连接板。第二编码器42外壳通过螺栓固定在套索轮43内，并第二编码器42轴过盈插入内侧半轴板的轴孔内，用于测量外骨骼模块的转动角度。通过更换不同的上连接板39和下连接板44与上述模块基体相结合构成不同构型的模块化可重构外骨骼。固定架38上设置限位块40，通过限位块40来限制模块化外骨骼的运动范围以保证安全性。

实施例2

本实施例中的一种远端变刚度可重构模块化外骨骼的控制系统，包括数据采集模块、模型建立模块、判断模块和控制模块；数据采集模块实时采集外骨骼模块动作时外骨骼的数据，包括前期进行动作测试的离线学习示教数据以及在进行实际作业任务时的实时数据；模型建立模块用于根据数据采集模块采集的数据建立人机交互作业模型，通过实时数据对交互作业模型不断调整；判断模块用于判断外骨骼模块进行的作业状态，以及根据外骨骼模块进行的作业状态判断是否对外骨骼模块进行控制；控制模块通过控制调刚电机和驱动电机的转速控制远端变刚度驱动器，将刚度和扭矩输出给外骨骼模块，对外骨骼模块进行闭环PID控制，实现对输出扭矩和输出刚度的控制。

实施例3

如图9所示，本实施例中的一种远端变刚度可重构模块化外骨骼的控制方法，包括以下步骤：

步骤S100：对外骨骼模块进行不同作业场景下的模拟作业动作，同时采集外骨骼模块动作时外骨骼的数据；如图10所示，首先让用户穿戴外骨骼模块进行多种动作，根据多传感对示教数据进行采集，将数据录入示教数据库。

步骤S200：根据采集的数据建立人机交互作业模型；使用TP-GMM模型(任务参数化的高斯混合模型)学习搬运示教数据库中的数据并生成概率扭矩轨迹，同时根据具体作业任务下的人体动力学模型生成理论扭矩轨迹，通过理论扭矩轨迹对上述生成的概率扭矩轨迹进行概率密度修正，得到理论概率轨迹模型。以上述轨迹为参考轨迹，结合导纳控制的力学模型，计算得到导纳控制中的刚度系数，以上述的刚度系数轨迹为初始的期望刚度轨迹。上述建立的人机交互模型得到期望扭矩和刚度轨迹并可根据需求被调用。

步骤S300：使用外骨骼模块进行实际作业任务，同时实时采集外骨骼的数据，根据工人运动时产生的远端变刚度驱动器中的弹性偏角θ，实时判断用户的作业状态；

步骤S400：结合外骨骼模块的扭矩与刚度参考轨迹，判断是否需要调节外骨骼模块的扭矩与刚度与当前作业状态相匹配；根据不同的作业任务对于驱动器弹性偏角θ设置阈值，低于此阈值进行作业控制，高于此阈值，降低驱动器刚度，让用户进行自由作业，保证外骨骼使用的安全性；如果对外骨骼模块进行控制则进行步骤S500；

步骤S500：根据人机交互作业模型及外骨骼模块的作业状态，通过控制远端变刚度驱动器对外骨骼模块进行控制；根据设定的外骨骼期望扭矩轨迹，采用扭矩估计模型对外骨骼辅助扭矩进行跟踪控制；根据设定的外骨骼的参考刚度，采用闭环PID控制来实现外骨骼刚度的跟踪控制；如图10所示，根据驱动器的力矩和刚度轨迹模型，将交互力矩和交互刚度的跟踪转化为弹性偏角的位置跟踪，进而转为驱动电机和调刚电机在速度模式下的轨迹跟踪，极大地降低了控制的复杂度。同时这种改变物理交互刚度的方式，虽然在一定程度的牺牲了末端轨迹跟踪的精度，但极大的提升了人机交互的舒适性和安全性，同时由于工人本身的存在使这种精度误差对作业造成的影响可以忽略不计。

远端变刚度驱动器对外骨骼模块扭矩进行控制时，扭矩估计模型为：

其中，a为输入滑轮的滑轮中心到输入盘旋转中心的半径，K为钢丝绳和变刚度拉簧的等效刚度，b为输入滑轮组的中心距，c为输出滑轮的滑轮中心到输出盘旋转中心的半径，F

远端变刚度驱动器对外骨骼模块刚度进行控制时，刚度控制模型为：

其中，θ1为驱动电机编码器示数，θ2为外骨骼模块编码器示数。

步骤S600：重复步骤S300至步骤S500，直至实际作业任务完成，从而实现对工人作业的辅助；并实时采集作业任务完成过程中外骨骼的数据；不同关节可以分开控制，而又可以通过针对不同作业任务进行自由组合，进行协同作业，模块化的控制方式，避免了各关节协同控制需要解耦的难题，大大降低了通过整体协同控制的难度。

步骤S700：将初始人机交互作业模型下，用户实际作业任务后的数据录入示教数据库内，对期望扭矩轨迹进行修正，根据用户反馈的作业过程中的舒适度反馈对期望刚度轨迹进行修正，对于离线学习得到的人机交互模型进行不断的修正，降低上述的精度误差问题，同时不断提升用户作业时的舒适度。