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专利号: 2022116262634
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种生物融合式并联髋关节康复外骨骼控制系统,其特征在于:包括人机交互模块、控制模块、数据储存模块、传感器网络模块、总线模块、电机驱动模块;

所述人机交互模块包括触摸屏和上位机,用于选择系统的运行模式,以及初始化参数的调整设定;其中,初始化参数包括外骨骼初始位置标定、传感器网络模块初始化、储存模块初始化、电机驱动模块初始化;人机交互模块将初始化参数传送给控制系统各个模块,同时将轨迹规划信息传输给控制模块;

所述控制模块包括微控制器和功能外设,用于数据处理以及驱动信号的计算,将传感器网络模块采集到的系统状态信息进行初步处理去噪,经过模糊PD算法运算得到系统的控制信号,通过电机驱动模块将控制模块的控制信号转换成驱动信号,进而驱动电机模块控制电机动作;

所述数据储存模块包括存储芯片及通信部分,用于储存轨迹规划信息、电机运行信息以及经过上述处理之后传感器网络模块获取的各项系统状态信息;所述总线模块用于各模块之间的信息交换;

应用所述生物融合式并联髋关节康复外骨骼控制系统的控制方法,具体包括如下步骤:S1、根据康复运动需求,进行髋关节运动轨迹规划;

S2、将上述轨迹规划结果,代入人‑机逆运动学模型,求解得到关节空间中电机的期望运动规律;

S3、以跟踪电机期望运动规律为目标,设计模糊自适应PD控制器;

S4、在髋关节运动过程中,利用布置在大腿绑带处的压力传感器,采集外骨骼作用在人腿上的作用力;

S5、将压力传感器的安装方位角及测量值,带入髋关节受力模型,求得髋关节的受力估测值F;

髋关节受力模型表达式为:

式中,fO、nO分别表示作用在髋关节中心的约束力和约束力矩;fC、nC分别表示小腿和足部等效在髋关节的质心处的作用力和力矩;fB、nB分别表示六个压力传感器等效在大腿绑带中心B处的作用力和力矩;a、ε、ω分别表示大腿质心处的线加速度、角加速度和角速度;rO、rB、rC分别表示髋关节中心O、大腿绑带中心B和大腿质心C在固定坐标系下的位置矢量;m表示大腿质量;g表示重力加速度矢量;I表示大腿的惯量矩阵;

S6、将估测值F与力阀值F0进行比较,若F>F0,则通过输出调节器,对输出量进行调控,调控后的控制参数再输入到电机驱动模块和电机组成的电机驱动系统中;若F≤F0,则无需对输出量进行调控,控制参数可直接输入到电机驱动系统中;

S7、通过电机驱动并联髋关节外骨骼末端运动,从而可带动下肢进行康复运动。

2.根据权利要求1所述的一种生物融合式并联髋关节康复外骨骼控制系统,其特征在于:所述传感器网络模块采集到的系统状态信息包括电机角度信息、压力信息和人体姿态信息。

3.根据权利要求1所述的一种生物融合式并联髋关节康复外骨骼控制系统,其特征在于:所述传感器网络模块包括编码器、电流传感器、惯性测量单元以及压力传感器;其中,编码器安装于电机上,用于实时获取电机的角度以及角速度信息;电流传感器包括串接于驱动电路的电阻、隔离式采样放大电路以及模数转换电路,它用于获取电机运行时的电流信息;惯性测量单元绑缚于人腿上,实时获取人腿的姿态信息;压力传感器布置在大腿绑带处,用于获取外骨骼与人腿之间的交互力;

所述总线模块包括串行通信总线、控制局域网总线和485总线。

4.根据权利要求1所述的一种生物融合式并联髋关节康复外骨骼控制系统,其特征在于,所述步骤S2中的人‑机逆运动学模型表达式为:‑1

q=J θ

其中,q代表电机的转动角度,θ代表髋关节空间姿态角,J代表雅各比矩阵。

5.根据权利要求1所述的一种生物融合式并联髋关节康复外骨骼控制系统,其特征在于,所述步骤S3中模糊自适应PD控制器的设计流程为:通过微控制器对编码器的脉冲数进行运算处理,获得各电机的实时角度值θi(t),将电机期望值ri(t)与实时角度值θi(t)作差,得到电机角度误差值e(t),并将其进行差分运算,得到变化率根据专家规则建立比例参数Kp、微分参数Kd调整的模糊规则表,并储存在微控制器中;

其中,比例参数Kp使用“大误差大增益,中误差小增益,小误差稳增益”的原则进行调整,微分参数Kd根据误差e(t)与其变化率 的乘积采用“正增负减”原则调整;

将e(t)、 作为模糊控制器的输入变量,通过模糊化处理、模糊推理、清晰化操作,获得Kp和Kd的调整值ΔKp和ΔKd,并将其传输到PD控制器中;

通过PD控制器运算,得到用于控制电机的驱动脉宽调制信号的占空比值,将其经过饱和限幅后传输到电机驱动器,进而控制电机运动。

6.根据权利要求1所述的一种生物融合式并联髋关节康复外骨骼控制系统,其特征在于,所述的输出调节器设计为:U=U0+ΔU

式中,U为电机经过输出调节器的控制信号量;U0为模糊PD控制器的输出量;ΔU为输出调节器的调节量,且ΔU=KUlim;

其中,K为调节系数,且K=(F‑F0)/F0;Ulim为输出限幅值。