(19)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 202210581152.X (22)申请日 2022.05.25 (71)申请人 合肥工业大 学 地址 230009 安徽省合肥市包河区屯溪路 193号 (72)发明人 陈珊　鲍爽　张恒　韩腾辉　 王钱浪　董方方　韩江　 (74)专利代理 机构 合肥市泽信专利代理事务所 (普通合伙) 3414 4 专利代理师 方荣肖 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B25J 9/00(2006.01) (54)发明名称 欠驱动单腿支撑液压助力外骨骼的鲁棒控 制方法及装置 (57)摘要 本发明涉及欠驱动单腿支撑液压助力外骨 骼的鲁棒控制方法及装置。 控制方法包括： 获取 外骨骼的状态数据， 判断外骨骼腿脚部的支撑状 态， 根据支撑状态对状态数据实时修正， 建立外 骨骼的物理模 型并转化为状态方程， 根据状态数 据和状态方程获取参考位移， 根据参考位移获取 期望驱动力矩， 根据期望驱动力矩获取电液伺服 阀的期望流量， 根据期望流量生成电流信号， 根 据电流信号驱动外骨骼各关节旋转， 实现外骨骼 的跟踪运动。 本发明在液压缸数目少于外骨骼运 动自由度数目的情况下， 有效克服了外骨骼的多 关节强耦合、 液压驱动器的高阶非线性和模型不 确定性的影 响， 实现了外骨骼对 人运动的良好跟 踪和助力效果。 权利要求书8页 说明书20页 附图3页 CN 114888806 A 2022.08.12 CN 114888806 A 1.一种欠驱动单腿支撑液压助力 外骨骼的鲁棒控制方法， 其用于实现欠驱动液压助力 外骨骼的跟踪运动， 所述 欠驱动液压助力外骨骼包括： 背板； 背部绑带， 其两端固定连接在所述背板的上端； 腰部绑带， 其两端固定连接在所述背板的下端； 第一连杆， 其顶端与所述背板的下端一侧可转动连接； 第二连杆， 其顶端与所述第一连 杆的下端可转动连接； 右脚板， 其与所述第二连杆的底端可转动连接； 所述右脚板、 所述第 一连杆和所述第二 连杆共同构成右腿脚部； 脚部绑带一， 其两端固定连接在所述右脚板上； 右腿膝关节液压缸， 其用于驱动所述第一杆件与所述第二杆件产生相对转动； 右腿髋关节液压缸， 其用于驱动所述背板与所述第一杆件产生相对转动； 第三连杆， 其顶端与所述背板的下端另一侧可转动连接； 第四连杆， 其顶端与所述第三连 杆的下端可转动连接； 左脚板， 其与所述第四连杆的底端可转动连接； 所述左脚板、 所述第 三连杆和所述第四 连杆共同构成左腿脚部； 脚部绑带二， 其两端固定连接在所述左脚板上； 左腿膝关节液压缸， 其用于驱动所述第三杆件与所述第四杆件产生相对转动； 左腿髋关节液压缸， 其用于驱动所述背板与所述第三杆件产生相对转动； 电液伺服阀， 其用于控制所述右腿膝关节液压缸、 所述右腿髋 关节液压缸、 所述左腿膝 关节液压缸和所述左腿髋关节液压缸的运行状态； 多个传感器， 其用于采集所述外骨骼的状态数据； 以及 实时控制器， 其用于根据所述状态数据输出控制量， 并根据所述控制量控制所述电液 伺服阀的运行状态； 所述 实时控制器包括上层 控制器、 中层控制器和下层 控制器； 所述上层 控制器用于输出人体运动预测轨迹； 所述中层控制器用于输出外骨骼期望输出力； 所述下 层控制器用于输出电流信号并根据所述电流信号控制电液伺服阀的运行状态， 实现外骨骼 的轨迹跟踪； 其特征在于， 所述控制方法包括如下步骤： S1： 设置所述实时控制器的采样周期； S2： 获取所述外骨骼的状态数据； 所述状态数据包括特征数据和运动数据； 所述运动数 据包括： 背部作用力、 脚部作用力、 外骨骼各关节实际角度值、 膝关节液压缸 的实际压力和 髋关节液压缸的实际压力； S3： 分别判断所述左腿脚部和所述右腿脚部的运动状态； 根据所述运动状态实时修正 所述状态数据； 所述运动状态的判断方法包括： 分别判断所述左腿脚部和所述右腿脚部是 否对地面施加压力； 是则将所述左腿脚部或所述右腿脚部作为摆动腿； 否则， 将所述左腿脚 部或所述右腿脚部作为支撑腿； S4： 建立所述欠驱动液压助力外骨骼的物理模型； 根据所述状态数据将所述物理模型 转化为状态方程； 所述物理模型包括： 人机接口模型、 外骨骼的运动模型、 液压驱动器的动 力学模型、 完整约束模型；权　利　要　求　书 1/8 页 2 CN 114888806 A 2S5： 根据所述背部作用力和所述脚部作用力在所述上层控制器中获取外骨骼的参考位 移； 根据所述实际角度值在所述外骨骼的运动模型中获取所述背板的实际位移； 根据所述 参考位移和所述 实际位移在所述中层控制器中获取期 望驱动力矩； 根据所述膝关节液压缸 的实际压力在所述液压驱动器的动力学模型中获取所述膝关节液压缸的实际输出力； 根据 所述髋关节液压缸 的实际压力在所述液压驱动器的动力学模型中获取髋关节液压缸的实 际输出力； 根据所述期望驱动力矩、 所述膝关节液压缸 的实际输出力和所述髋关节液压缸 的实际输出力在下层控制器中获取电液伺服阀的期望流 量； S6： 根据所述期望流量生成电压信号； 根据所述电压信号在所述电液伺服阀中生成相 应的电流信号； S7： 通过所述电流信号控制电液伺服阀的运行状态， 以控制液压缸两端的压力， 推动各 个液压缸运动， 进而驱动所述欠驱动单腿支撑液压助力外骨骼的各个关节旋转， 实现所述 欠驱动单腿支撑液压助力外骨骼的跟踪运动。 2.如权利要求1所述的欠驱动单腿支撑液压助力 外骨骼的鲁棒控制方法， 其特征在于， 在S4中， 所述人机 接口模型为： 其中， Fhm＝[Fhmubx Fhmuby τeubz Fhmrx Fhmry τerz]T为人机作用力， Fhmubx、 Fhmuby分别代表背 部人机作用力在x、 y方向的分量， τeubz为假设人体在 背部的力矩， Fhmrx、 Fhmry分别代表摆动腿 脚部人机作用力在x、 y方向的分量， τerz为假设人体在摆动腿脚部的力矩； K＝diag{Kubx, Kuby,Kubz,Krx,Kry,Krz}为人机接口刚度， 其 中Kubx、 Kuby、 Kubz、 Krx、 Kry、 Krz分别为腰部和摆动腿 脚部人机接口刚度在x、 y、 z方向的分量； xhs＝[xhubx xhuby xhubz xhrx xhry xhrz]T为穿戴者的 位移量， 其中xhubx、 xhuby、 xhubz分别代表穿戴者背部接触处的位移在x、 y、 z三个方向的分量； xhrx、 xhry、 xhrz分别代表穿戴者摆动腿脚部接触处的位移在x、 y、 z三个方向的分量， xes＝ [xeubx xeuby xeubz xerx xery xerz]T为外骨骼的位移量， 期中xeubx、 xeuby、 xeubz分别代表外骨骼 腰背部接触处的位移在x、 y、 z三个方向的分量； xerx、 xery、 xerz分别代表外骨骼摆动腿脚部接 触处的位移在x、 y、 z三个方向的分量； 为在人机 接口上的集中模型不确定性和干扰； 通过人机作用力的积分 代替Fhm， 得到人机 接口模型的状态方程 为： 3.如权利要求1所述的欠驱动单腿支撑液压助力 外骨骼的鲁棒控制方法， 其特征在于， 在S4中， 所述外骨骼的运动模型为： 式中， Tact为关节驱动力矩， 其中Jub为在腰部的雅可比矩阵， Jr为脚部的雅可 比矩阵， qc为关节角度， MLsp为惯性矩阵， CLsp为离心力和科氏力矩阵， GLsp为重力矩阵， B是阻 尼矩阵， 是集中建模误差， 为关节角速度， 为关节角加速度；权　利　要　求　书 2/8 页 3 CN 114888806 A 3