一种外骨骼关节操作动态补偿控制方法及系统

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种外骨骼关节操作动态补偿控制方法及系统。

背景技术

目前，当工作人员穿戴外骨骼机器人进行作业时，需要通过对外骨骼关节驱动力矩进行控制来提供助力。

特别是上肢外骨骼助力作业时，需要对上肢力矩进行补偿，如图1所示，现有技术通过人机间作用力与理想值的偏差控制人机间作用力的补偿力矩，但未对人机间作用力的变化进行控制，当作业速度较快时，人机间作用力较大，人机间作用力变化较快，现有控制方法下难以使人机间的作用力更加稳定，难以保证人机协同运动效果。

发明内容

本发明提供了一种外骨骼关节操作动态补偿控制方法及系统，解决了现有控制方法下难以使人机间的作用力更加稳定，难以保证人机协同运动效果的技术问题。

有鉴于此，本发明第一方面提供了一种外骨骼关节操作动态补偿控制方法，包括以下步骤：

根据外骨骼终端被穿戴时的人机作用力的时序变化数据，获得人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率；

基于模糊PID控制策略，根据人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率进行偏差控制，得到补偿力矩；

将人机作用力映射到外骨骼终端中的各个关节，得到映射力矩；

将所述补偿力矩和所述关节映射力矩进行加和处理，得到补偿驱动力矩；

根据所述补偿驱动力矩生成补偿控制指令，并按照所述补偿控制指令控制外骨骼终端的各关节进行运动。

优选地，本方法还包括：

通过六维力/力矩传感器获取外骨骼终端被穿戴时的人机作用力，所述人机作用力包含作用力和力矩。

优选地，根据外骨骼终端被穿戴时的人机作用力的时序变化数据，获得人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率的步骤具体包括：

根据外骨骼终端被穿戴时的人机作用力的时序变化数据，获得人机作用力在相邻时刻的偏差；

将人机作用力在相邻时刻的偏差对时间进行求导运算，得到偏差变化率。

优选地，基于模糊PID控制策略，根据人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率进行偏差控制，得到补偿力矩的步骤具体包括：

将人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率作为所述模糊PID控制器的输入，基于预设的模糊规则，对所述模糊PID控制器的比例系数、微分系数和积分系数进行调节，并对人机作用力在相邻时刻的偏差进行控制，得到补偿力矩。

优选地，将人机作用力映射到外骨骼终端中的各个关节，得到映射力矩的步骤，具体包括：

将人机作用力映射到外骨骼终端中的各个关节，通过人机作用力与其对应的雅可比矩阵计算人机作用力在各关节的映射力矩。

第二方面，本发明还提供了一种外骨骼关节操作动态补偿控制系统，包括以下步骤：

偏差获取模块，用于根据外骨骼终端被穿戴时的人机作用力的时序变化数据，获得人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率；

补偿力矩计算模块，用于基于模糊PID控制策略，根据人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率进行偏差控制，得到补偿力矩；

映射力矩计算模块，用于将人机作用力映射到外骨骼终端中的各个关节，得到映射力矩；

驱动力矩计算模块，用于将所述补偿力矩和所述关节映射力矩进行加和处理，得到补偿驱动力矩；

补偿控制模块，用于根据所述补偿驱动力矩生成补偿控制指令，并按照所述补偿控制指令控制外骨骼终端的各关节进行运动。

优选地，本系统还包括：

六维力/力矩传感器，所述六维力/力矩传感器安装于所述外骨骼终端与操作者之间的接触位上，用于获取外骨骼终端被穿戴时的人机作用力，所述人机作用力包含作用力和力矩。

优选地，所述偏差获取模块具体包括：

偏差计算模块，用于根据外骨骼终端被穿戴时的人机作用力的时序变化数据，获得人机作用力在相邻时刻的偏差；

偏差变化计算模块，用于将人机作用力在相邻时刻的偏差对时间进行求导运算，得到偏差变化率。

优选地，所述补偿力矩计算模块具体用于，将人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率作为所述模糊PID控制器的输入，基于预设的模糊规则，对所述模糊PID控制器的比例系数、微分系数和积分系数进行调节，并对人机作用力在相邻时刻的偏差进行控制，得到补偿力矩。

优选地，所述映射力矩计算模块具体用于，将人机作用力映射到外骨骼终端中的各个关节，通过人机作用力与其对应的雅可比矩阵计算人机作用力在各关节的映射力矩。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明通过外骨骼终端被穿戴时的人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率作为模糊PID控制策略的输入，对人机间作用力变化速度进行模糊PID控制，还通过将人机作用力映射到外骨骼终端中的各个关节，得到映射力矩，利用补偿力矩和关节映射力矩进行加和处理，得到补偿驱动力矩，并生成补偿控制指令，按照补偿控制指令控制外骨骼终端的各关节进行运动，从而基于外骨骼终端的动态工况，能够在快速作业中获取人机间作用力变化并对其控制，实时补偿人机作用力，可以实现操作者在快速作业时以较小且稳定的人机作用力对负载进行操作，达到人机协同运动的效果。

附图说明

图1为现有技术中对人机间作用力的控制环路示意图；

图2为本发明实施例提供的一种外骨骼关节操作动态补偿控制方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的上肢外骨骼上六维力/力矩传感器的安装示意图；

图4为本发明实施例提供的一种外骨骼关节操作动态补偿控制方法的控制环路示意图；

图5为本发明实施例提供的一种外骨骼关节操作动态补偿控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。

为了便于理解，请参阅图2，本发明提供的一种外骨骼关节操作动态补偿控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据外骨骼终端被穿戴时的人机作用力的时序变化数据，获得人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率。

需要说明的是，在获取人机作用力之前，需要操作者穿戴外骨骼终端(如上肢外骨骼)并进行举杆实验，如图3所示，图3示意了上肢外骨骼上六维力/力矩传感器的安装情况，并在上肢外骨骼握把的位置安装六维力/力矩传感器，通过六维力/力矩传感器获取外骨骼终端被穿戴时的人机作用力，人机作用力包含作用力和力矩，人机作用力f

f

并在外骨骼终端的各关节处安装角度传感器，用于获取各关节角度数据。

同时，由于外骨骼终端被穿戴时的人机作用力是不断进行变化的，故通过人机作用力的时序变化数据可以获取到当前时刻的人机作用力与前一时刻的人机作用力之间的偏差，即人机作用力在相邻时刻的偏差。同时，通过人机作用力在相邻时刻的偏差对时间进行求导运算，得到偏差变化率，以用于表征人机间作用力变化速度。

步骤二、基于模糊PID控制策略，根据人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率进行偏差控制，得到补偿力矩。

通过模糊PID控制策略对人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率进行处理，从而可以通过人机作用力对时间的微分，来判断当前手部运动状态。当力的微分值变化较大时，力变化较快，表明运动状态发生改变，补偿力矩较大。当力的微分值变化较小时，人机作用力基本维持稳定，补偿力矩较小。举杆作业中，当操作者举杆时，人机作用力迅速增大，较大的补偿力矩为操作者提供辅助。

步骤三、将人机作用力映射到外骨骼终端中的各个关节，得到映射力矩。

需要说明的是，当操作者改变运动状态时，人机作用力发生变化，由人机作用力引起的关节力矩也发生变化。举杆作业中，当操作者举杆时，人机作用力较大，通过人机作用力的映射力矩辅助操作者举杆，降低人机作用力。

步骤四、将补偿力矩和关节映射力矩进行加和处理，得到补偿驱动力矩。

步骤五、根据补偿驱动力矩生成补偿控制指令，并按照补偿控制指令控制外骨骼终端的各关节进行运动。

需要说明的是，本发明通过外骨骼终端被穿戴时的人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率作为模糊PID控制策略的输入，对人机间作用力变化速度进行模糊PID控制，还通过将人机作用力映射到外骨骼终端中的各个关节，得到映射力矩，利用补偿力矩和关节映射力矩进行加和处理，得到补偿驱动力矩，并生成补偿控制指令，按照补偿控制指令控制外骨骼终端的各关节进行运动，从而基于外骨骼终端的动态工况，能够在快速作业中获取人机间作用力变化并对其控制，实时补偿人机作用力，可以实现操作者在快速作业时以较小且稳定的人机作用力对负载进行操作，达到人机协同运动的效果。

以下为在上述实施例的基础上进一步的详细描述，为了便于理解，请参阅图4，图4示意了发明提供的一种外骨骼关节操作动态补偿控制方法的控制环路。

在一个具体实施例中，步骤一具体包括：

101、根据外骨骼终端被穿戴时的人机作用力的时序变化数据，获得人机作用力在相邻时刻的偏差。

具体来说，计算人机作用力在相邻时刻的偏差的过程包括：

其中，

其中，

102、将人机作用力在相邻时刻的偏差对时间进行求导运算，得到偏差变化率。

在一个具体实施例中，步骤二具体包括：

将人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率作为模糊PID控制器的输入，基于预设的模糊规则，对模糊PID控制器的比例系数、微分系数和积分系数进行调节，并对人机作用力在相邻时刻的偏差进行控制，得到补偿力矩。

其中，模糊PID控制器的操作为：

其中，K

针对模糊PID控制器，采用乘积推理机、单点模糊化和重心解模糊化来设计模糊PID控制器的比例系数增益、积分系数增益和微分系数增益。并对比例系数增益ΔK

表格1ΔK

表格2ΔK

表格3ΔK

需要说明的是，通过人机作用力对时间的微分，可以判断当前手部运动状态。当力的微分值变化较大时，力变化较快，表明运动状态发生改变，补偿力矩较大。当力的微分值变化较小时，人机作用力基本维持稳定，补偿力矩较小。举杆作业中，当操作者举杆时，人机作用力迅速增大，较大的补偿力矩为操作者提供辅助。

相较于现有控制策略，本发明立足于操作终端的动态工况，能够在人机作用力变化较快时提供合适的补偿力矩，稳定并减小人机作用力，达到人机协同运动的效果。

在一个具体实施例中，步骤三具体包括：

将人机作用力映射到外骨骼终端中的各个关节，通过人机作用力与其对应的雅可比矩阵计算人机作用力在各关节的映射力矩。

需要说明的是，将人机作用力映射到各个关节，计算人机作用力引起的映射力矩为：

τ

当操作者改变运动状态时，人机作用力发生变化，由人机作用力引起的关节力矩也发生变化。举杆作业中，当操作者举杆时，人机作用力较大，通过人机作用力的映射力矩τ

通过下式将补偿力矩和关节映射力矩进行加和处理，得到补偿驱动力矩τ为：

τ＝τ

最终外骨骼各关节的表达式为：

以上为本发明提供的一种外骨骼关节操作动态补偿控制方法的实施例的详细描述，以下为本发明提供的一种外骨骼关节操作动态补偿控制系统的实施例的详细描述。

为了便于理解，请参阅图5，本发明提供的一种外骨骼关节操作动态补偿控制系统，包括以下步骤：

偏差获取模块100，用于根据外骨骼终端被穿戴时的人机作用力的时序变化数据，获得人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率；

补偿力矩计算模块200，用于基于模糊PID控制策略，根据人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率进行偏差控制，得到补偿力矩；

映射力矩计算模块300，用于将人机作用力映射到外骨骼终端中的各个关节，得到映射力矩；

驱动力矩计算模块400，用于将补偿力矩和关节映射力矩进行加和处理，得到补偿驱动力矩；

补偿控制模块500，用于根据补偿驱动力矩生成补偿控制指令，并按照补偿控制指令控制外骨骼终端的各关节进行运动。

在一个具体实施例中，本系统还包括：

六维力/力矩传感器，六维力/力矩传感器安装于外骨骼终端与操作者之间的接触位上，用于获取外骨骼终端被穿戴时的人机作用力，人机作用力包含作用力和力矩。

在一个具体实施例中，偏差获取模块具体包括：

偏差计算模块，用于根据外骨骼终端被穿戴时的人机作用力的时序变化数据，获得人机作用力在相邻时刻的偏差；

偏差变化计算模块，用于将人机作用力在相邻时刻的偏差对时间进行求导运算，得到偏差变化率。

在一个具体实施例中，补偿力矩计算模块具体用于，将人机作用力在相邻时刻的偏差以及偏差变化率作为模糊PID控制器的输入，基于预设的模糊规则，对模糊PID控制器的比例系数、微分系数和积分系数进行调节，并对人机作用力在相邻时刻的偏差进行控制，得到补偿力矩。

在一个具体实施例中，映射力矩计算模块具体用于，将人机作用力映射到外骨骼终端中的各个关节，通过人机作用力与其对应的雅可比矩阵计算人机作用力在各关节的映射力矩。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。