“一源多驱”式外骨骼刚柔联动控制方法研究

To satisfy the requirement of high-efficient actuation and light-weight of the lower extremity exoskeleton, a rigid-flexible coupled multi-joints coordinated control model of exoskeleton with a load-sensitive power source is proposed. Compared to the traditional exoskeletons, the proposed model has three characteristics as following. First, load-sensitive power source and energy management algorithm is used to improve the energy efficiency of actuation system. Second, for improving the balance of ankle joint, the hip joint and the knee joint of the exoskeleton are both stiff actuators, and the soft actuator is chosen for the ankle joint. Third, the impedance control algorithm based on the pressure servo can alter stiffness in wide range and realize accurate impedance control. According to the research, an exoskeleton with rigid-soft structure and its multi-joints are driven by an energy source is proposed. Meantime, the rule of the force transformation between the rigid joints and the soft joints is provided. The combination control algorithm of multi-joints and the impedance control algorithm based on the pressure servo are also obtained from this study. The research has important scientific significance and great social value in assisting the disabled and the elderly.

针对下肢外骨骼对驱动能效及结构轻量化需求，提出“一源多驱”式外骨骼刚柔执行器联动控制模型。与传统外骨骼模型相比，新模型具有以下特点：①具有对关节执行器（髋、膝、踝）负载敏感动力系统和能源管理算法，提高系统能源效率。②髋、膝关节的变刚性执行器与踝关节的柔性执行器刚柔耦合协同工作，改善因踝关节欠驱动带来的多自由度刚体失稳问题。③提出压力伺服的关节阻抗主动控制方法，通过变刚度实现在负载下的柔顺性和鲁棒控制。研究期望达到：（1）提出一种新的（基于负载敏感）“一源多驱”式外骨骼建模方法。（2）获得刚柔耦合驱动机构的力传递规律和力施加方法。（3）获得多关节联动控制方法和基于压力伺服的主动柔顺性控制方法。该研究具有重要的科学理论意义和重大助老助残社会价值。

针对现有外骨骼执行器功率密度比低和难以实现整体轻量化问题，本项目提出了“一源多驱”式的外骨骼驱动模型，即采用集中式的驱动单元对髋、膝、踝上分布式布置的力传递机构进行联合驱动。与一个关节对应一个驱动单元的模型相比，所提出的研究模型中驱动单元数量减少一半以上，重量减轻。本项目通过对髋、膝、踝关节在时域内的驱动功率、力矩、关节角度变化和在不同位姿下的能量特征分析，建立了多关节联动的驱动模型和能量传递模型，并分析能量流规律，尝试对沿着肢体关节自上而下的能量传递方法进行分析和验证，研究表明该能量传递方法对外骨骼的能量回收利用具有很好效果，可以对外骨骼髋关节做负功时的能量进行收集，并短暂储存后在合适步态下注入到膝或踝关节，可节约15%以上的能耗。本项目建立了采用“一源多驱”式的液压驱动外骨骼原理样机和研究模型，研究了对人体下肢关节采用“一源多驱”的理论方法，分析了单一能源对多目标跟踪下的综合驱动和控制，通过理论和实验研究表明“一源多驱”方法在液压驱动和电动驱动都具有可行性，可减轻外骨骼执行器重量30%以上。在驱动方法研究中，着重研究了髋关节、膝关节采用刚性结构执行器的柔性控制方法，以及刚柔结构的力耦合与传递规律，获得“一源多驱”式刚柔外骨骼的建模方法。研究了基于压力伺服力反馈控制的阻抗模型，验证了该研究模型具有大范围调节刚度的能力，与膝关节需大范围的变刚度特性相吻合。通过对基于压力反馈控制的伺服回路与基于流量控制的回路阻抗模型对比，验证了采用压力反馈控制的阻抗控制具有大范围调节刚度的能力和较好的鲁棒性，更适合于人体刚度耦合，采用压力反馈时输出力更能与人体阻抗相匹配，可改善生硬的步行特性。本项目研究成果对机器人（外骨骼）驱动机构构型设计提供重要设计参考依据，对重大研究计划中的机器人-人-环境交互动力学与刚度调控机制提供理论支撑。