1.本发明涉及医疗器械和康复辅助器具领域，具体地，涉及一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统。
背景技术：2.下肢外骨骼机器人的行走性能有了很大的提高，但仍远未达到预期。尽管许多下肢外骨骼机器人能够在平坦地形(或已知几何结构的不平地形)上行走，但只有少数机器人能够补偿严重干扰或在崎岖地形上行走。下肢外骨骼机器人有一个独特的特性，即在运动学和动力学上与人相似。根据这一特性，它们能够适应我们人类的日常生活环境，人类希望它们能够走出实验室，完成日常生活任务，并与它们精确、安全地协作。下肢外骨骼机器人在动态环境中工作的关键要求是能够在行走时对未知干扰做出稳健反应。目前，在开发鲁棒步行引擎方面的研究越来越多，可分为两大类：基于模型的和无模型的。在基于模型的方法中，考虑了系统动力学的物理模型，并基于该模型设计了步行系统。无模型方法试图通过在没有任何动力学模型的情况下为每个肢体生成有节奏的运动来设计步行系统。本发明是基于模型的方法。
3.虽然考虑下肢外骨骼机器人的全刚体动力学不是不可能的，但由于要处理复杂的动力学问题，通常在求解高度非线性以及大尺寸问题时，计算量大，求解时间长。因此，考虑全身动力学模型对于实时实现来说是负担不起的。相反，为了降低规划过程的计算成本和复杂性，整体动力学仅限于质心。线性倒立摆模型以其在实时求解的快速和高效率闻名，该模型仅通过考虑单个质量来近似下肢外骨骼机器人的动力学，该质量被限制沿水平定义的平面移动，并通过无质量杆连接到地面。基于这些假设，存在一个简单的解决方案，根据一组规划的足迹生成参考质心轨迹。
4.专利文献cn110286679a公开了一种基于线性倒立摆模型的机器人步态规划方法，具体是基于线性倒立摆模型生成零力矩点轨迹、躯干质心运动轨迹和游动脚规划轨迹，并由逆运动学解算各个关节步态运动曲线，以寻求更符合人型机器人实际质量分布情况，但是仍然缺乏对运动中的发散分量的精准控制，而在实际应用中难以取得预期效果。
技术实现要素：5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，根据仿人机器人运动的最新进展基于将质心动力学解耦为发散和收敛组件，只要控制运动的发散分量，就可以发展出鲁棒稳定的步行。
6.根据本发明提供的一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，包括参考轨迹规划器、线性二次高斯控制器；
7.所述参考轨迹规划器包括脚步规划器、零动量点规划器、质心规划器、发散运动分量规划器；
8.所述参考轨迹规划器通过脚步规划器获得下肢外骨骼机器人的实际参数，再利用
零动量点规划器根据步伐生成零动量点轨迹，接下来基于线性倒立摆模型计算出质心轨迹，最后基于发散运动分量理论控制质心运动中的发散运动分量，获得机器人前馈步行的参考轨迹；
9.所述线性二次高斯控制器基于所述发散运动分量，实现在不确定情况下稳健地跟踪所述参考轨迹，并且实现在存在过程干扰和测量噪声的情况下也具有鲁棒性。
10.进一步地，所述线性二次高斯控制器使用了发散运动分量的概念，通过将矢状面和冠状面的运动解耦简化了脚步规划的复杂度。
11.进一步地，所述线性二次高斯控制器包括卡尔曼滤波器、积分器；
12.所述卡尔曼滤波器用于在存在测量和过程噪声的情况下估计系统的状态，并且根据每个控制周期内状态误差的可观测性；
13.所述积分器用于消除稳态误差，根据积分器的估计状态和输出。
14.进一步地，所述脚步规划器根据输入的步长信息生成一组足迹位置，其中步长信息包括步长(sl)、步宽(sw)、步长持续时间(sd)、单支撑持续时间(ssd)和双支撑持续时间(dsd)。
15.进一步地，所述零动量点规划器基于指定足迹并使用以下公式生成零动量点轨迹：
[0016][0017]
其中t表示时间，在每个步骤结束时重置，(t≥t
ss
+t
ds
)，t
ss
、t
ds
分别是单支撑阶段和双支撑阶段的持续时间，fi＝[f
i,x f
i,y
]是2d平面上的一组计划脚部位置(i∈n)。
[0018]
进一步地，所述质心规划器的动力学模型是基于线性倒立摆模型，根据所述动力学模型，质心仅限于沿预定义的水平面移动，因此，矢状面和冠状面的运动是解耦、独立的；所述动力学模型通过一阶稳定动力学方程表示仿人机器人的整体动力学，如下所示：
[0019][0020]
式中，x代表com在矢状面上的位置,为摆锤的固有频率，p
x
是零动量点的位置，零动量点是地平面上的一个点，地面反作用力在该点起作用，以补偿重力和惯性；
[0021]
计算质心轨迹，所述质心轨迹可通过将上述动力学方程作为边值问题求解而获得，求解微分方程所考虑的边界条件是质心在行走步伐开始和结束时的位置；因此，使用以下函数获得质心轨迹：
[0022][0023]
其中t0、tf、x0、xf分别是在步骤开始和结束时质心的时间和相应位置。
[0024]
进一步地，所述发散运动分量的动态定义如下：
[0025][0026]
式中，ζ,分别表示发散运动分量和质心的速度，通过对上述方程两侧取导数得出
对应的导数方程，并将方程代入所述导数方程，能够得到线性倒立摆模型的动力学方程的状态空间表达式，如下所示：
[0027][0028]
根据这个状态空间矩阵，质心在无控制的情况下总是收敛到发散运动分量，发散运动分量参考轨迹可通过将生成的质心轨迹及其导数代入方程来生成。
[0029]
进一步地，所述线性二次高斯控制器跟踪的最佳状态反馈控制律设计如下：
[0030][0031]
其中，x，x
des
分别表示估计状态和期望状态。xi是积分器输出，k表示设计用于最小化以下成本函数的最佳增益矩阵，如下所示：
[0032][0033]
其中z
t
为z的转置矩阵，q是线性二次型函数的性能指标函数，r是线性二次型函数中控制量的权重，它们是跟踪性能和控制成本之间的折衷,可根据需要通过测试进行调整。
[0034]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0035]
1、本发明使用线性倒立摆模型对外骨骼机器人进行近似，并使用发散运动分量概念将机器人的整体动力学模型表示为一个状态空间系统，保证了模型不会过于复杂导致过多的计算，使系统更加稳定。
[0036]
2、本发明设计了一个基于发散运动分量的参考轨迹规划器，在质心规划器的基础上引入发散运动分量规划器，将矢状面和冠状面的运动解耦简化了脚步规划的复杂度。
[0037]
3、本发明设计了一个基于线性二次高斯分布的最优闭环控制器，利用卡尔曼滤波和积分器结合的方式提高系统的稳定性，生成鲁棒稳定的机器人行走。
附图说明
[0038]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0039]
图1为本发明一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统的流程图；
[0040]
图2为本发明一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统的脚步规划器流程图；
[0041]
图3为本发明一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统的线性二次高斯控制器流程图。
具体实施方式
[0042]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术
人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0043]
本发明提供了一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统,包括下肢外骨骼机器人参考轨迹规划器和线性二次高斯控制器。其中参考轨迹规划器使用线性倒立摆模型对下肢外骨骼机器人进行了动力学上的近似，使用发散运动分量的概念将机器人的整体动力学模型表示为状态空间系统，简化了模型的计算。
[0044]
利用参考轨迹规划器计算出参考轨迹，参考轨迹规划器包括脚步规划器、零动量点规划器、质心规划器和发散运动分量规划器四部分；首先通过脚步规划器获得下肢外骨骼机器人的实际参数，再利用零动量点规划器根据步伐生成零动量点轨迹，接下来基于线性倒立摆模型计算出质心轨迹，最后基于发散运动分量理论控制质心运动中的发散分量，实现机器人的前馈步行。
[0045]
具体地，参考轨迹规划器包括四个部分：脚步规划器、零动量点规划器、质心规划器和发散运动分量规划器。
[0046]
具体地，脚步规划器用于根据输入的步长信息生成一组足迹位置，其中步长信息包括步长(sl)、步宽(sw)、步长持续时间(sd)、单支撑持续时间(ssd)和双支撑持续时间(dsd)。
[0047]
具体地，零动量点规划器基于指定足迹并使用以下公式生成零动量点轨迹：
[0048][0049]
其中，sl表示步长，t表示时间，在每个步骤结束时重置，(t≥t
ss
+t
ds
)，t
ss
、t
ds
分别是单支撑阶段和双支撑阶段的持续时间，fi＝[f
i,x f
i,y
]是2d平面上的一组计划脚部位置(i∈n)。
[0050]
具体地，质心规划器的动力学模型是基于线性倒立摆模型，根据该模型，质心仅限于沿预定义的水平面移动，因此，矢状面和冠状面的运动是解耦、独立的。该模型通过一阶稳定动力学方程表示仿人机器人的整体动力学，如下所示：
[0051][0052]
式中，x代表com在矢状面上的位置,为摆锤的固有频率，p
x
是零动量点的位置，零动量点是地平面上的一个点，地面反作用力在该点起作用，以补偿重力和惯性。
[0053]
具体地，生成零动量点轨迹后，应计算质心的轨迹，该轨迹可通过将上述动力学方程作为边值问题求解而获得。求解该微分方程所考虑的边界条件是质心在行走步伐开始和结束时的位置。因此，可以使用以下函数获得质心的轨迹：
[0054][0055]
其中t0、tf、x0、xf分别是在步骤开始和结束时质心的时间和相应位置。
[0056]
具体地，发散运动分量规划器基于发散运动分量理论。发散运动分量是质心动力学中不稳定的部分，这是机器人应该跨到支撑脚上休息的点。发散运动分量动态定义如下：
[0057][0058]
式中，ζ,分别表示发散运动分量和质心的速度。通过方程(4)两侧取导数，并将方程(4)代入该方程，可以得到线性倒立摆模型的动力学方程的状态空间表达式，如下所示：
[0059][0060]
根据这个状态空间矩阵，质心在无控制的情况下总是收敛到发散运动分量，因此，只需控制发散运动分量即可实现稳定行走。
[0061]
发散运动分量参考轨迹可通过将生成的质心轨迹及其导数代入方程(4)来生成。
[0062]
线性二次高斯控制器用于实现在不确定情况下稳健地跟踪所需的参考轨迹，并且实现控制器在存在过程干扰和测量噪声的情况下也具有鲁棒性。具体地，线性二次高斯控制器使用了发散运动分量的概念，通过将矢状面和冠状面的运动解耦简化了脚步规划的复杂度；提供了基于线性二次高斯分布的最优闭环控制器，采用卡尔曼滤波和积分器组合减少测量误差和稳态误差，以生成鲁棒稳定的下肢外骨骼机器人行走。
[0063]
具体地，线性二次高斯控制器包括一个卡尔曼滤波器，用于在存在测量和过程噪声的情况下估计系统的状态，并且根据每个控制周期内状态误差的可观测性，采用积分器消除稳态误差，根据积分器的估计状态和输出，跟踪的最佳状态反馈控制律设计如下：
[0064][0065]
其中，x，x
des
分别表示估计状态和期望状态。xi是积分器输出，k表示设计用于最小化以下成本函数的最佳增益矩阵，如下所示：
[0066][0067]
其中z
t
为z的转置矩阵，q是线性二次型函数的性能指标函数，r是线性二次型函数中控制量的权重，它们是跟踪性能和控制成本之间的折衷,可根据需要通过测试进行调整。
[0068]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0069]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
技术特征：1.一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，包括参考轨迹规划器、线性二次高斯控制器；所述参考轨迹规划器包括脚步规划器、零动量点规划器、质心规划器、发散运动分量规划器；所述参考轨迹规划器通过脚步规划器获得下肢外骨骼机器人的实际参数，再利用零动量点规划器根据步伐生成零动量点轨迹，接下来基于线性倒立摆模型计算出质心轨迹，最后基于发散运动分量理论控制质心运动中的发散运动分量，获得机器人前馈步行的参考轨迹；所述线性二次高斯控制器基于所述发散运动分量，实现在不确定情况下稳健地跟踪所述参考轨迹，并且实现在存在过程干扰和测量噪声的情况下也具有鲁棒性。2.根据权利要求1所述的基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述线性二次高斯控制器使用了发散运动分量的概念，通过将矢状面和冠状面的运动解耦简化了脚步规划的复杂度。3.根据权利要求1所述的基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述线性二次高斯控制器包括卡尔曼滤波器、积分器；所述卡尔曼滤波器用于在存在测量和过程噪声的情况下估计系统的状态，并且根据每个控制周期内状态误差的可观测性；所述积分器用于消除稳态误差，根据积分器的估计状态和输出。4.根据权利要求1所述的基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述脚步规划器根据输入的步长信息生成一组足迹位置，其中步长信息包括步长(sl)、步宽(sw)、步长持续时间(sd)、单支撑持续时间(ssd)和双支撑持续时间(dsd)。5.根据权利要求4所述的基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述零动量点规划器基于指定足迹并使用以下公式生成零动量点轨迹：其中t表示时间，在每个步骤结束时重置，(t≥t
ss
+t
ds
)，t
ss
、t
ds
分别是单支撑阶段和双支撑阶段的持续时间，fi＝[f
i,x f
i,y
]是2d平面上的一组计划脚部位置(i∈n)。6.根据权利要求5所述的基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述质心规划器的动力学模型是基于线性倒立摆模型，根据所述动力学模型，质心仅限于沿预定义的水平面移动，因此，矢状面和冠状面的运动是解耦、独立的；所述动力学模型通过一阶稳定动力学方程表示仿人机器人的整体动力学，如下所示：式中，x代表com在矢状面上的位置,为摆锤的固有频率，p
x
是零动量点的位置，零动量点是地平面上的一个点，地面反作用力在该点起作用，以补偿重力和惯性；计算质心轨迹，所述质心轨迹可通过将上述动力学方程作为边值问题求解而获得，求解微分方程所考虑的边界条件是质心在行走步伐开始和结束时的位置；因此，使用以下函
数获得质心轨迹：其中t0、t
f
、x0、x
f
分别是在步骤开始和结束时质心的时间和相应位置。7.根据权利要求6所述的基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述发散运动分量的动态定义如下：式中，ζ,分别表示发散运动分量和质心的速度，通过对上述方程两侧取导数得出对应的导数方程，并将方程代入所述导数方程，能够得到线性倒立摆模型的动力学方程的状态空间表达式，如下所示：根据这个状态空间矩阵，质心在无控制的情况下总是收敛到发散运动分量，发散运动分量参考轨迹可通过将生成的质心轨迹及其导数代入方程来生成。8.根据权利要求3所述的基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述线性二次高斯控制器跟踪的最佳状态反馈控制律设计如下：其中，x，x
des
分别表示估计状态和期望状态。x
i
是积分器输出，k表示设计用于最小化以下成本函数的最佳增益矩阵，如下所示：j(u)＝∫
0∞
{z
t
qz+u
t
ru}dt其中z
t
为z的转置矩阵，q是线性二次型函数的性能指标函数，r是线性二次型函数中控制量的权重，它们是跟踪性能和控制成本之间的折衷,可根据需要通过测试进行调整。
技术总结本发明提供了一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，包括参考轨迹规划器、线性二次高斯控制器；参考轨迹规划器通过脚步规划器获得下肢外骨骼机器人的实际参数，再利用零动量点规划器根据步伐生成零动量点轨迹，接下来基于线性倒立摆模型计算出质心轨迹，最后基于发散运动分量理论控制质心运动中的发散运动分量，获得机器人前馈步行的参考轨迹；线性二次高斯控制器基于发散运动分量，实现在不确定情况下稳健地跟踪参考轨迹，并且实现在存在过程干扰和测量噪声的情况下也具有鲁棒性。本发明设计了的基于发散运动分量的参考轨迹规划器，在质心规划器的基础上引入发散运动分量规划器，将矢状面和冠状面的运动解耦简化了脚步规划的复杂度。简化了脚步规划的复杂度。简化了脚步规划的复杂度。
技术研发人员：李智军 郝旭 李国欣
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2022.04.20
技术公布日：2022/7/5
