(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 202210579443.5 (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　张恒　鲍爽　韩腾辉　 赵一帆　曹晨　董方方　 (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 欠驱动双腿支撑液压助力外骨骼的鲁棒控 制方法及装置 (57)摘要 本发明涉及欠驱动双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： 初始 化实时控制器的采样周期； 判断外骨骼左腿脚部 和右腿脚部的运动状态； 建立外骨骼的物理模型 并转化为状态方程； 获取背部作用力并在上层控 制器中得到参考位移； 根据参考位移在中层控制 器中得到期望驱动力矩； 根据期望驱动力矩在下 层控制器中得到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。 本发明综 合多方面因素建立人机交互的外骨骼跟随运动 模型， 有效克服了外骨骼的闭链动力学问题， 极 大程度上消除了各种干扰和不确定性对外骨骼 跟随运动的影响， 增强了外骨骼控制的鲁棒性 能。 权利要求书8页 说明书20页 附图3页 CN 114770522 A 2022.07.22 CN 114770522 A 1.一种欠驱动双腿支撑液压助力 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， 所述鲁棒控制方法包括如下步骤： S1： 初始化所述实时控制器的采样周期； 将所述左脚脚部和所述右脚脚部旋转至水平， 将所述第一杆件、 所述第二杆件、 所述第三杆件、 所述第四杆件以及所述背板旋转至竖直位 置； 初始化多个所述传感器并将每 个所述传感器的数值调零； S2： 分别判断所述左腿脚部和所述右腿脚部的运动状态； 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； S3： 建立所述欠驱动双腿支撑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、 完整约 束模型、 液压驱动器的动力学模型； S4： 获取所述背板与穿戴者的接触处 的背部作用力； 将所述背部作用力作为输入， 在所 述上层控制器中获取 所述外骨骼的参 考位移；权　利　要　求　书 1/8 页 2 CN 114770522 A 2S5： 获取所述外骨骼各个关节 的实际角度值， 根据外骨骼的运动模型得到背板接触处 的实际位移； 将所述实际位移和所述参考位移作为输入量， 在所述中层控制器中获取所述 外骨骼中左右腿期 望耦合驱动力矩； 将所述左右腿期 望耦合驱动力矩合理分配至所述外骨 骼的各个关节， 得到各个关节的期望驱动力矩； S6： 获取所述左腿膝关节液压缸和所述右腿膝关节液压缸的实际压力， 进而得到所述 左腿膝关节液压缸和右腿膝关节液压缸的实际输出力； 获取所述左腿髋关节液压缸两腔和 右腿髋关节液压缸的实际压力， 进而得到所述左腿髋关节液压缸和右腿髋关节液压缸的实 际输出力； 根据所述期望驱动力矩获取液压缸 的期望输出力， 再将所述期望输出力和液压 缸实际输出力作为输入量， 在所述下层控制器中输出液压驱动器的期望流量； 根据所述期 望流量生成用于控制所述电液伺服阀的电压信号； S7： 根据所述电压信号生成相应的电流信号； 根据所述电流信号控制所述电液伺服阀 的运行状态， 从而驱动各个液压缸运动， 进而驱动所述外骨骼的各个关节旋转， 实现所述外 骨骼的跟踪运动。 2.如权利要求1所述的一种欠驱动双腿支撑液压助力外骨骼的鲁棒控制方法， 其特征 在于， 在S3中， 所述人机 接口模型为： 其中， Fhmub为背部接触点的人机作用力， Fhmub＝[Fhmubx Fhmuby τeubz]T， Fhmubx、 Fhmuby、 τeubz分 别为背部的人机作用力在x、 y、 z方向上的分量， K＝diag{ Kubx,Kuby,Kubz}为背部人机接口刚 度， 其中Kubx、 Kuby、 Kubz分别为背 部人机接口刚度在x、 y、 z方向上的分量， xh＝[xhx xhy xhz]T为 背板接触处穿戴者的位移， xhx、 xhy、 xhz分别代表背部接触处穿戴者的位移在x、 y、 z三个方向 的分量， xe＝[xex xey xez]T为背板接触处外骨骼的位移， xex、 xey、 xez分别代表背部接触处外 骨骼位移在x、 y、 z方向上的分量， 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Fhmub， 得到人机 接口模型的状态方程 为： 3.如权利要求1所述的一种欠驱动双腿支撑液压助力外骨骼的鲁棒控制方法， 其特征 在于， 在S3中， 所述外骨骼的运动模型为： 式中， qc1为关节角度， MDsp是惯性矩阵， CDsp是离心力和科氏力矩阵， GDsp为重力矩阵， B是 阻尼矩阵， BDsp是力矩映射矩阵， 是集中建模误差， Tact为关节驱动力矩， Fhmub为背部接触 点的人机作用力， Jub为背部接触处的雅可比矩阵， 为关节角速度， 为关节角加速度； 将所述运动模型进一 步转化为： 权　利　要　求　书 2/8 页 3 CN 114770522 A 3