本發(fā)明涉及助行機器人控制系統(tǒng)及方法，具體地，涉及下肢助行機器的外骨骼混合控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

目前，下肢機器外骨骼既可用于癱瘓病人的康復(fù)訓(xùn)練，也可用于正常受試者的助行工具，增強運動及負載能力。比如瑞士HOCOMA公司的Locomat，日本安川公司的ReWalk。下肢機器外骨骼關(guān)節(jié)處的電機為受試者提供較大的輔助力矩，協(xié)調(diào)各關(guān)節(jié)的運動。然而大多數(shù)下肢機器外骨骼控制器模式單一，人機交互體驗差。

經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，有一個現(xiàn)存的專利與本發(fā)明相似，中國專利公開號CN104797385A，專利名稱為：自適應(yīng)外骨骼、用于控制外骨骼的裝置與方法，申請日為2013年12月18日。該發(fā)明針對外骨骼設(shè)計了可學(xué)習(xí)外界輸入的控制系統(tǒng)。該專利與本發(fā)明主要有以下幾點不同：一、沒有充分利用伺服技術(shù)；二、未對系統(tǒng)參數(shù)做辨識，以提高學(xué)習(xí)效果；三、沒有針對不同的生物力學(xué)任務(wù)采用高阻抗控制器或自適應(yīng)控制器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種下肢助行機器的外骨骼混合控制系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：1、一種下肢助行機器的外骨骼混合控制系統(tǒng)，其特征在于，所述軌跡生成模塊、位置速度反饋模塊、FSR電路模塊、控制器決策模塊、51單片機模塊、主控制模塊，所述主控制器模塊包括高阻抗控制器模塊與自適應(yīng)控制模塊，軌跡生成模塊生成下肢外骨骼各關(guān)節(jié)軌跡信息，并導(dǎo)入到主控制模塊中；位置速度反饋模塊采集外骨骼各關(guān)節(jié)的位置及速度信息，反饋到主控制模塊中；FSR電路模塊通過安裝在外骨骼腳底的FSR壓力傳感器，檢測腳底與地面的接觸力信息，將此信息已電壓的形式發(fā)送給控制器決策模塊；控制器決策模塊根據(jù)此電壓信息判斷是處于擺腿期還是站立期，將此判斷結(jié)果發(fā)送給51單片機模塊；51單片機模塊根據(jù)具體結(jié)果，通過繼電器模塊切換主控制模塊的工作模式；主控制模塊若獲知處于站立期，則開啟高阻抗控制器模塊，若處于擺腿期，則開啟自適應(yīng)控制模塊。

優(yōu)選地，所述軌跡生成模塊包括自由度設(shè)定子模塊、狀態(tài)變量設(shè)定子模塊和CPG子模塊；其中，自由度設(shè)定子模塊根據(jù)外骨骼的自由度數(shù)目而設(shè)定；狀態(tài)變量設(shè)定子模塊設(shè)定CPG子模塊中的速度、偏移和幅值等狀態(tài)變量；CPG子模塊最后生成各關(guān)節(jié)的參考軌跡曲線。

優(yōu)選地，所述位置速度反饋模塊包括脈沖編碼器計數(shù)子模塊和數(shù)值差分子模塊；其中，脈沖編碼器計數(shù)子模塊獲得各關(guān)節(jié)的位置信息；數(shù)值差分子模塊獲得各關(guān)節(jié)的速度信息。

優(yōu)選地，所述FSR電路模塊用于檢測足底與地面的接觸力，包括分別貼在前腳掌的第一壓力傳感器和腳后跟的第二壓力傳感器；其中，若第一壓力傳感器、第二壓力傳感器都輸出低電平，則為擺動期；否則為站立期。

優(yōu)選地，所述控制器選擇模塊包括FSR電壓采集子模塊和決策子模塊；其中，F(xiàn)SR電壓采集子模塊根據(jù)所得電壓值，判斷足底與地面壓力大小；決策子模塊將最終識別的結(jié)果發(fā)送給51單片機模塊。

優(yōu)選地，所述51單片機模塊包括繼電器切換子模塊；該模塊根據(jù)控制器選擇模塊傳來的指令，通過繼電器切換子模塊將伺服電機切換到相應(yīng)的工作模式，控制器也調(diào)整到對應(yīng)的控制器。

優(yōu)選地，所述高阻抗控制器模塊包括四區(qū)PID子模塊和干擾觀測器子模塊，其中，四區(qū)PID子模塊作為控制律，完成外骨骼的位置控制人物；干擾觀測器子模塊估計出外界的干擾，并進行補償，提升控制器的抗干擾能力，提升控制器的位置追蹤效果；此時各關(guān)節(jié)處的伺服電機工作在速度模式。

優(yōu)選地，所述自適應(yīng)控制模塊包括模型參考自適應(yīng)子模塊，其中，模型參考自適應(yīng)子模塊檢測受試者的運動意圖，再根據(jù)此意圖調(diào)整外骨骼的運動，使得受試者可以更自如主動地操作外骨骼，提升用戶體驗；此時各關(guān)節(jié)處的伺服電機工作在力矩模式。

優(yōu)選地，所述模型參考自適應(yīng)子模塊通過系統(tǒng)辨識方法得到初始參數(shù)。

本發(fā)明還提供一種下肢助行機器的外骨骼混合方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：將伺服電機通過51單片機模塊切換到速度模式下，根據(jù)伺服電機內(nèi)部的理論模型計算出四區(qū)PID子模塊和干擾觀測器子模塊中的相關(guān)參數(shù)并進行設(shè)定；

步驟二：將外骨骼結(jié)構(gòu)穿到受試者身上，通過魔術(shù)貼與低溫?zé)崴馨逯瞥傻耐鈿ぃ瑢⑷送扰c外骨骼綁緊；并對齊外骨骼與人體的下肢各關(guān)節(jié)，保證用戶的舒適性；

步驟三：將一側(cè)腿懸空，模擬行走中擺腿的情形，通過前述的模型辨識的方法，得到模型參考自適應(yīng)子模塊的相關(guān)參數(shù)并進行設(shè)定；

步驟四:根據(jù)外骨骼自由度設(shè)定子模塊，根據(jù)康復(fù)任務(wù)設(shè)定狀態(tài)變量設(shè)定子模塊，開啟CPG子模塊，生成參考軌跡信息；將軌跡生成模塊的輸出導(dǎo)入到主控制模塊中；

步驟五：設(shè)定位置速度反饋模塊中編碼器脈沖計數(shù)子模塊與數(shù)值差分子模塊的相關(guān)參數(shù)，將位置速度反饋模塊的信息反饋到主控制模塊中；

步驟六：將FSR電路模塊中的第一壓力傳感器與第二壓力傳感器貼在受試者腳底上；將傳感器的輸出接到控制器決策模塊中；

步驟七：開啟控制器決策模塊與51單片機模塊，完成剩余模塊的連接部分，受試即可開始使用外骨骼輔助行走。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：本發(fā)明針對行走步態(tài)周期中不同的生物力學(xué)任務(wù)，配置有不同的控制器，可實現(xiàn)更好的人機交互，它有以下優(yōu)點：

一，充分利用伺服技術(shù)，在站立期，由于伺服電機工作在速度模式，可建立完整的系統(tǒng)模型，使得高阻抗控制器的參數(shù)可通過計算和仿真獲得；在擺動期，利用伺服電機的力矩模式，可粗略辨識出系統(tǒng)的參數(shù)，增強自適應(yīng)控制器的學(xué)習(xí)效果。

二，以生物力學(xué)任務(wù)作為主控制器模塊選擇的設(shè)計標準，站立期由于外界與受試者作用力很大，且無法預(yù)測，故伺服電機工作在高阻抗的速度模式，消除外界不確定因素的干擾；在擺動期，伺服電機工作在低阻抗的力矩模式，受試者可主動地改變外骨骼運動模式。

三，整個過程各關(guān)節(jié)軌跡保持耦合，并能平滑切換，CPG子模塊用于生成周期性的節(jié)律運動，可保證各自由度間的耦合關(guān)系，并且在控制器切換時，軌跡依然能平滑變化。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明的具體實施框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明提供的下肢助行機器的外骨骼混合控制系統(tǒng)，針對行走步態(tài)周期中不同的生物力學(xué)任務(wù)，配置有不同的控制器。圖1展示了整體發(fā)明控制框圖，本發(fā)明包括軌跡生成模塊1、位置速度反饋模塊2、FSR(反饋移位寄存器)電路模塊3、控制器決策模塊4、51單片機模塊5、主控制模塊6，所述主控制器模塊6包括高阻抗控制器模塊7與自適應(yīng)控制模塊8，軌跡生成模塊1生成下肢外骨骼各關(guān)節(jié)軌跡信息，并導(dǎo)入到主控制模塊6中；位置速度反饋模塊2采集外骨骼各關(guān)節(jié)的位置及速度信息，反饋到主控制模塊6中；FSR電路模塊3通過安裝在外骨骼腳底的FSR壓力傳感器，檢測腳底與地面的接觸力信息，將此信息已電壓的形式發(fā)送給控制器決策模塊4；控制器決策模塊4根據(jù)此電壓信息判斷是處于擺腿期還是站立期，將此判斷結(jié)果發(fā)送給51單片機模塊5；51單片機模塊5根據(jù)具體結(jié)果，通過繼電器模塊切換主控制模塊6的工作模式；主控制模塊6若獲知處于站立期，則開啟高阻抗控制器模塊7，若處于擺腿期，則開啟自適應(yīng)控制模塊8。

本發(fā)明下肢助行機器的外骨骼混合控制系統(tǒng)針對行走過程中不同的生物力學(xué)任務(wù)采用高阻抗控制器或自適應(yīng)控制器，足底開關(guān)判斷處于站立期還是擺動期；其中，當處于站立期時，啟動高阻抗控制器；當處于擺動期時，通過51單片機模塊切換電機工作模式到力矩模式，啟動自適應(yīng)控制器。下肢助行機器的外骨骼有左右下肢的髖關(guān)節(jié)、左右下肢的膝關(guān)節(jié)四個自由度，各關(guān)節(jié)分別配有伺服電機。

所述軌跡生成模塊1包括自由度設(shè)定子模塊11、狀態(tài)變量設(shè)定子模塊12和CPG子模塊13；其中，自由度設(shè)定子模塊11根據(jù)外骨骼的自由度數(shù)目而設(shè)定；狀態(tài)變量設(shè)定子模塊12設(shè)定CPG子模塊中的速度、偏移和幅值等狀態(tài)變量；CPG(中樞模式發(fā)生器)子模塊13最后生成各關(guān)節(jié)的參考軌跡曲線。CPG子模塊可保證關(guān)節(jié)軌跡的連續(xù)平緩，保證用戶的安全。

所述位置速度反饋模塊2包括脈沖編碼器計數(shù)子模塊21和數(shù)值差分子模塊22；其中，脈沖編碼器計數(shù)子模塊21獲得各關(guān)節(jié)的位置信息；數(shù)值差分子模塊22獲得各關(guān)節(jié)的速度信息。

所述FSR電路模塊3用于檢測足底與地面的接觸力，包括分別貼在前腳掌的第一壓力傳感器和腳后跟的第二壓力傳感器；其中，若第一壓力傳感器、第二壓力傳感器都輸出低電平，則為擺動期；否則為站立期。

所述控制器選擇模塊4包括FSR電壓采集子模塊41和決策子模塊42；其中，F(xiàn)SR電壓采集子模塊41根據(jù)所得電壓值，判斷足底與地面壓力大小；決策子模塊42將最終識別的結(jié)果發(fā)送給51單片機模塊5。

所述51單片機模塊5包括繼電器切換子模塊51；該模塊根據(jù)控制器選擇模塊4傳來的指令，通過繼電器切換子模塊51將伺服電機切換到相應(yīng)的工作模式，控制器也調(diào)整到對應(yīng)的控制器。

其中，當處于站立期時，啟動高阻抗控制器模塊7；當處于擺動期時，切換到自適應(yīng)控制模塊8。

所述高阻抗控制器模塊7包括四區(qū)PID(比例積分微分)子模塊A1和干擾觀測器子模塊A2。其中，四區(qū)PID子模塊A1作為控制律，完成外骨骼的位置控制人物；干擾觀測器子模塊A2估計出外界的干擾，并進行補償，提升控制器的抗干擾能力，提升控制器的位置追蹤效果；此時各關(guān)節(jié)處的伺服電機工作在速度模式，有利于提高整個系統(tǒng)的阻抗，提升位置控制精度。

所述自適應(yīng)控制模塊8包括模型參考自適應(yīng)子模塊B1。其中，模型參考自適應(yīng)子模塊B1檢測受試者的運動意圖，再根據(jù)此意圖調(diào)整外骨骼的運動，使得受試者可以更自如主動地操作外骨骼，提升用戶體驗；此時各關(guān)節(jié)處的伺服電機工作在力矩模式，有利于減小整個系統(tǒng)的阻抗，提升柔順性，使受試者可以依據(jù)自我意愿控制外骨骼運動。

所述模型參考自適應(yīng)子模塊B1通過系統(tǒng)辨識方法得到初始參數(shù)。所述系統(tǒng)辨識方法是通過如下方式實現(xiàn)的：伺服電機工作在力矩模式下，通過不同程度的階躍響應(yīng)完成對系統(tǒng)參數(shù)的粗略辨識；系統(tǒng)辨識在只有伺服電機下完成；這種系統(tǒng)辨識的方法，既簡單可行，方便具體操作，又有不錯的辨識效果。

所述模型參考自適應(yīng)子模塊B1采用相對階為2的Narendra方法，并加入重力矩及摩擦力矩補償。其中，此時模型參考自適應(yīng)模塊初始參數(shù)通過系統(tǒng)辨識的方法獲得；這種控制方式可提高控制器的控制效果，使受試者操作外骨骼更加自如。

所述下肢助行機器的外骨骼混合控制系統(tǒng)通過CPG子模塊13生成各關(guān)節(jié)軌跡；其中，站立期末的檢測角度值作為擺動期的初始值，擺動期末的檢測角度值作為站立期的初始值。

本發(fā)明下肢助行機器的外骨骼混合方法包括如下步驟：

步驟一：將伺服電機通過51單片機模塊5切換到速度模式下，根據(jù)伺服電機內(nèi)部的理論模型計算出四區(qū)PID子模塊A1和干擾觀測器子模塊A2中的相關(guān)參數(shù)并進行設(shè)定。

步驟二：將外骨骼結(jié)構(gòu)穿到受試者身上，通過魔術(shù)貼與低溫?zé)崴馨逯瞥傻耐鈿?，將人腿與外骨骼綁緊；并對齊外骨骼與人體的下肢各關(guān)節(jié)，保證用戶的舒適性。

步驟三：將一側(cè)腿懸空，模擬行走中擺腿的情形，通過前述的模型辨識的方法，得到模型參考自適應(yīng)子模塊B1的相關(guān)參數(shù)并進行設(shè)定。

步驟四:根據(jù)外骨骼自由度設(shè)定子模塊11，根據(jù)康復(fù)任務(wù)設(shè)定狀態(tài)變量設(shè)定子模塊12，開啟CPG子模塊13，生成參考軌跡信息；將軌跡生成模塊1的輸出導(dǎo)入到主控制模塊6中。

步驟五：設(shè)定位置速度反饋模塊2中編碼器脈沖計數(shù)子模塊21與數(shù)值差分子模塊22的相關(guān)參數(shù)，將位置速度反饋模塊2的信息反饋到主控制模塊6中。

步驟六：將FSR電路模塊3中的第一壓力傳感器與第二壓力傳感器貼在受試者腳底上；將傳感器的輸出接到控制器決策模塊4中。

步驟七：開啟控制器決策模塊4與51單片機模塊5，完成剩余模塊的連接部分，受試即可開始使用外骨骼輔助行走。

本發(fā)明切實可行，通過這種混合底層控制器(高阻抗控制器和自適應(yīng)控制器)，為不同的步態(tài)任務(wù)配不同的控制器，有助于完成對外骨骼更好的控制，可提高機器外骨骼系統(tǒng)的控制效果和用戶體驗。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。