用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制装置及控制方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910904413.5 (22)申请日 2019.09.24 (71)申请人 中国船舶重工集团公司第七0七研 究所 地址 300131 天津市红桥区丁字沽一号路 268号 (72)发明人 李彬高志宇韩瑞雪王喆 于开宇 (74)专利代理机构 天津盛理知识产权代理有限 公司 12209 代理人 刘英梅 (51)Int.Cl. B25J 9/00(2006.01) B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制 装置及控制方法 (57。

2、)摘要 本发明涉及用于下肢外骨骼系统的惯性信 息前馈控制装置及控制方法， 控制方法为S1通过 人体惯性传感器采集下肢人体关节角度， 并将角 度输出给前馈解算器； S2前馈解算器对人体惯性 传感器采集到的人体关节角度进行前馈解算处 理， 并将解算结果作为PID控制器的给定输出给 PID控制器； S3PID控制器根据输入的给定以及外 骨骼关节角度编码器采集到的外骨骼角度对关 节驱动器进行闭环控制； S4关节驱动器根据PID 控制器的输出驱动外骨骼关节跟随人体关节运 动。 本发明实现了外骨骼角度跟随人体运动， 最 大偏差可控制在2 左右； 实验效果显示该发明解 决了惯性传感器的延时问题， 至少降低了。

3、150ms 的时延。 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 CN 110561391 A 2019.12.13 CN 110561391 A 1.一种用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制装置， 其特征在于： 包括人体惯性传 感器、 前馈解算器、 PID控制器、 关节驱动器、 外骨骼关节、 外骨骼关节角度编码器： 所述人体惯性传感器安装在下肢人体关节上， 用于感知人体关节角度、 并将采集到的 人体关节角度输出给前馈解算器； 所述前馈解算器， 用于对输入的人体关节角度进行前馈解算出来， 并将解算结果输出 给PID控制器； 所述外骨骼关节角度编码器， 用于采集外骨骼关节角度， 并将角度输出给PID控。

4、制器， 所述PID控制器， 用于接收前馈解算器的输出的角度值和外骨骼关节角度编码器的输 出的结算结构， 并输出控制命令给， 关节驱动器； 所述关节驱动器， 用于根据PID控制器的输出驱动外骨骼关节跟随人体关节运动； 所述外骨骼关节穿戴于下肢人体关节外。 2.一种用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制方法， 所述控制方法基于权利要求1 所述的用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制装置， 步骤为： S1通过人体惯性传感器采集下肢人体关节角度， 并将角度输出给前馈解算器； S2前馈解算器对人体惯性传感器采集到的人体关节角度进行前馈解算处理， 并将解算 结果作为PID控制器的给定输出给PID控制器； S3。

5、PID控制器根据输入的给定以及外骨骼关节角度编码器采集到的外骨骼角度对关节 驱动器进行闭环控制： S4关节驱动器根据PID控制器的输出驱动外骨骼关节跟随人体关节运动。 3.根据权利要求2所述的用于下肢外骨骼系统的惯性信息前馈控制方法， 其特征在于， S2中的前馈解算处理过程， 包括如下步骤： S21、 读取安装在人体关节的惯性传感器感知的关节角度Ar； S22、 缓存连续两个时刻的关节角度， 通过差值计算出关节角速度V,公式如下： V(Ar(t2)-Ar(t1)/(t2-t1)， 其中t2、 t1为前后相邻的两个采样时刻： S23、 根据公式AcAr+a*V获取前馈计算的关节角度Ac， 其中a。

6、为前馈控制因子； S24、 根据公式HcK*Ac+P获取坐标转换后的外骨骼关节角度给定， 其中K和P为人体关 节角度到外骨骼关节角度坐标转换的参量； S25、 根据安全限幅值Hmin和Hmax对Hc进行限幅操作， 当HcHmax时HcHmax， 当HcHmax时HcHmax， 当Hc Hmax时HcHmax， 当Hc Hmin时HcHmin； 其中外骨骼关节前摆至限位处外骨骼关节编码器输出作为Hmax； 外骨骼 关节后摆至限位处外骨骼关节编码器输出作为Hmin。 0052 图3所示为本发明的前馈控制方法的控制效果， 曲线a与曲线b比较： 曲线b相对于 曲线a相位提前了大约150ms， 可见前馈解算器较好的解决了惯性传感器的延时问题。 曲线c 与曲线d比较： 最大偏差控制在2 以内， 可见前馈控制算法可以使得髋关节能够较好的跟随 人体关节运动。 0053 尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图， 但是本领域的技术人员可以理 解： 在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内， 各种替换、 变化和修改都是可能的， 因此， 本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。 说明书 3/3 页 5 CN 110561391 A 5 图1 图2 说明书附图 1/2 页 6 CN 110561391 A 6 图3 说明书附图 2/2 页 7 CN 110561391 A 7 。