下肢外骨骼人机交互及协调控制的研究
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于非线 性 、强耦合 的机 器人 系统简 单彳 『 效 ，ｆ ｛ ｊ 于经 Ｐ Ｉ Ｄ控 制经 过参数整 定后得到 的控制 参数是 小变的 ，在 面对外制 骼
机 器 人 系 统 参 数 具 有 时 变 的 特 性 ，就 很 难 适 Ｊ 、 外 骨 骼 机 人
的应用要求 。 经典 Ｐ Ｉ Ｄ控 制卡 ｝ Ｉ 比，鲁捧控 制则 小仅 能适 心外 Ｐ ｊ 骼 机 器 人系统 参数 的变 化而 『 ｛ ＿ 虹加 易 于保 系统 的稳 定 。然
鲁 捧 控 制 也有 其 自身 的 缺 点 ，就 是 控 制 很 大 才 能 使 得 控 制 系统 的 状 念 收 敛 ， 以至 于 过 大的控 制ｆ ｌ ｛ ＝ 会 使 得 控 制 系统
输 振荡 ，最终使得跟踪控制 的精度降 低。
图 １ 外骨 骼 跟 随 运 动 系统
阻抗控 制作为一利－ 重要的 力控制 力‘ 法 ，可 以通 过 删节机
实 用性 。
关键字 ：外骨骼 ；人机交互 ；控制
１引言
卜肢 外骨 骼 足 一利Ｉ 町以 穿 在 人腿 Ｌ的 特 殊 装 置 ， 可 以辅
在外骨骼 机器人控 制中 ，本文主 就外骨骼跟 随 人体运 动意 罔的控制展 开研究 ，为实现外骨 骼对 十人体运 动跟随 的 准确性 与同步性 ，分析外骨 骼机器人 使用 中具有棋 ， 确
人的动 力学模 ， 的 ， 而 且 要 求 很 高 的速 率 对 机 器 人 动 力学 模 刊进仃 计算 ，同时 １ ４ １ 于 模 型 参 数 的 误 差 使 得 控 制 的效 果 并 不
婵想。
３ ． １外骨骼硬件系统的实现 系统 的硬 件足 整个系统的 实俸 部分 ，是软 件得以实现 的
图 ２基 于 Ｃ Ｍ Ａ Ｃ补 偿 的 自适 应 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 图
（Ｉ ） 运 动控 制 作为控制系统的核心 ，水义采川 Ｔ美
Ｄ ｅ ｌ ｔ ａ Ｔ ａ ｕ Ｄａ ｔ ａ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ公 ｄ 的 多轴 ｉ 耋 动控 制 ， 体 为Ｔ ｕ ｒ ｂ ｏ
外 骨骼 【 Ｉ ｌ ｌ 穿戴 者 ｊ 外骨 骼的协调 运动进行 研究 ，实际 ｝ 二 准确
的 人 体 运 动 意 图 的 扶 取 后 ，对 于 外 骨 骼 机 器 人 的 研 究 ， 则 归 结 为机 人 的控 制 川题 。如 冈 １ 所， Ｊ 。
这 几种 方法符 自有各 ｆ ］ 的优缺点 。其ｒ ｌ ｌ １ ｌ经 典的 Ｐ Ｉ Ｄ 删 对
口 研究与设计
Ｒｅ ｓ ｅａ ｒ ｃ ｈ ａ ｎｄ Ｄｅｓ ｉ ｇｎ
肢外 ； 付 ｝ ｝ 人 饥交， ｆ 股 及 ｉ Ｊ 蹦 控 制 的ｆ ｉ Ｊ Ｉ ＝ 究
山东科技 大学机械 电子工程学院 袁玉荣 鲁其星
摘 要 ：本文就此 问题从人机 交互信 息检 测及协调运动控制 方法等方面进行 了研 究，最后搭 建 了下肢外骨骼 试验 系统进行 了实验 。实验 结果验证 了人机 交互检 测装置的可行 性 、意 图估计算法的有效性 以及控制方法的
壤 础 。本 节 所 设 汁的 下 肢 外 骨 骼 机 器 人 人控 制 系统 硬 件 平 台
盘 Ｉ １ ｌ 皋 】 ４所 示
而 在 本 文 中 ，对 于 外 骨 骼 机 器 人 系统 具 有 模 型 参 数 不 能 精 确获取 、 不 同 的穿 戴 荇 会 导 致 机 器 人 系统 参 数 变 化 等 Ｍ题 ，
ｉ ｌ Ｉ 一
图 ４ 系统 硬 件组 成
詈 体
位机 Ｆ ｝ ｆ 样 ｌ ： 控 机 和 显 爪 器 部 分组 成 ， ｌ 控 机 完 成
人机交 Ｅ 序的编 ’ ｉ ，实现 数｛ ＝ ｉ ｌ ｌ 的 分析 处理 以埂最终 决策 信
息输 Ｈ ，并 ｝ ＿ Ｊ ＿ 牛 成 系统 的 控 制 指 令 ，实 现 对 下 肢 外 骨 骼 机 器 人 的 控 制 。 问［ ｛ ｌ ｆ 完成埘一些外火 ｆ Ｉ ｔ ｆ 号的输 入 和输 处 理 。
● 西
一
提Ｈ ｛ 使用 自适 应 Ｐ Ｉ Ｄ控 制器结合 Ｃ ＭＡＣ作 为补偿 器的 法进
行轨迹 跟踪控 制 ，ｌ ｊ 『 以 实 时 的 在 线 辨 识 系 统 模 型 参 数 进 行
调整以保证 系统的性 能 。控制 器设 计 下 ：Ｔ ＝ Ｔ ＋ Ｔ 。控 制
器 结 构 如 图 ２所 爪 。
研究 了ｒ ｛ 通 Ｐ Ｉ Ｄ结合 Ｃ ＭＡＣ提 供补偿 作为外骨骼跟随运
动 的 控 制 ‘ 法。
２人机 协调 运动 控制 方 法的研 究
２ ． １外 骨 骼 跟 随 运 动 系 统 通 过 交 互信 息 榆 洲 ｊ 人 体 运 动 意 网 估 计后 ，需 要 对 实 际
２ 。 ２基 于 ＣＭ ＡＣ 补 偿 的 自适 应 ＰＩ Ｄ控制器设计 目前 ，在 外 骨 骼 机 器 人 控 制 中 ，常 川 的 厅法 有 敏 放 大 控 制 、 鲁棒 控 制 、 阻 抗 控 制 、Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 以 硬 自适 『 １ 控制 ，
定 性 ，针 埘 不 同 的 穿 戴 行 ，模 型 具 有 时 变 ，小 史综 合 考 虑 ，
助人 小能 独完成 的 一 些任 务。近年来 ，下 肢外骨骼 机器 人
得 到广泛 的ｌ 父渖 ， 对 于 外 骨 骼 准 确 获取 人 体 运 动 意 并 实
现 人 机 心运 动 一 ｌ Ｉ Ｉ ＝ 址难 点 。
５ ８ Ｉ 智 能 机 器 人
ＮＴ Ｅ Ｌ ＬＧ ＥＮ Ｔ Ｒ Ｏ Ｂ０ Ｔ
《 智能机 器人 》Ｄ ｅ ｃ ｅ ｍｂ ｅ ｒ ． ２ ０ １ ７
器人 系统的阻抗 参 数来实现 机器 人的 和位 置 的控 制 ，具有 很好 的鲁棒性 。然后 ５ ｎ 抗 控制 常用 的 法都是 基于 精确机器
机 器 人 系 统 参 数 具 有 时 变 的 特 性 ，就 很 难 适 Ｊ 、 外 骨 骼 机 人
的应用要求 。 经典 Ｐ Ｉ Ｄ控 制卡 ｝ Ｉ 比，鲁捧控 制则 小仅 能适 心外 Ｐ ｊ 骼 机 器 人系统 参数 的变 化而 『 ｛ ＿ 虹加 易 于保 系统 的稳 定 。然
鲁 捧 控 制 也有 其 自身 的 缺 点 ，就 是 控 制 很 大 才 能 使 得 控 制 系统 的 状 念 收 敛 ， 以至 于 过 大的控 制ｆ ｌ ｛ ＝ 会 使 得 控 制 系统
输 振荡 ，最终使得跟踪控制 的精度降 低。
图 １ 外骨 骼 跟 随 运 动 系统
阻抗控 制作为一利－ 重要的 力控制 力‘ 法 ，可 以通 过 删节机
实 用性 。
关键字 ：外骨骼 ；人机交互 ；控制
１引言
卜肢 外骨 骼 足 一利Ｉ 町以 穿 在 人腿 Ｌ的 特 殊 装 置 ， 可 以辅
在外骨骼 机器人控 制中 ，本文主 就外骨骼跟 随 人体运 动意 罔的控制展 开研究 ，为实现外骨 骼对 十人体运 动跟随 的 准确性 与同步性 ，分析外骨 骼机器人 使用 中具有棋 ， 确
人的动 力学模 ， 的 ， 而 且 要 求 很 高 的速 率 对 机 器 人 动 力学 模 刊进仃 计算 ，同时 １ ４ １ 于 模 型 参 数 的 误 差 使 得 控 制 的效 果 并 不
婵想。
３ ． １外骨骼硬件系统的实现 系统 的硬 件足 整个系统的 实俸 部分 ，是软 件得以实现 的
图 ２基 于 Ｃ Ｍ Ａ Ｃ补 偿 的 自适 应 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 图
（Ｉ ） 运 动控 制 作为控制系统的核心 ，水义采川 Ｔ美
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外 骨骼 【 Ｉ ｌ ｌ 穿戴 者 ｊ 外骨 骼的协调 运动进行 研究 ，实际 ｝ 二 准确
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这 几种 方法符 自有各 ｆ ］ 的优缺点 。其ｒ ｌ ｌ １ ｌ经 典的 Ｐ Ｉ Ｄ 删 对
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肢外 ； 付 ｝ ｝ 人 饥交， ｆ 股 及 ｉ Ｊ 蹦 控 制 的ｆ ｉ Ｊ Ｉ ＝ 究
山东科技 大学机械 电子工程学院 袁玉荣 鲁其星
摘 要 ：本文就此 问题从人机 交互信 息检 测及协调运动控制 方法等方面进行 了研 究，最后搭 建 了下肢外骨骼 试验 系统进行 了实验 。实验 结果验证 了人机 交互检 测装置的可行 性 、意 图估计算法的有效性 以及控制方法的
壤 础 。本 节 所 设 汁的 下 肢 外 骨 骼 机 器 人 人控 制 系统 硬 件 平 台
盘 Ｉ １ ｌ 皋 】 ４所 示
而 在 本 文 中 ，对 于 外 骨 骼 机 器 人 系统 具 有 模 型 参 数 不 能 精 确获取 、 不 同 的穿 戴 荇 会 导 致 机 器 人 系统 参 数 变 化 等 Ｍ题 ，
ｉ ｌ Ｉ 一
图 ４ 系统 硬 件组 成
詈 体
位机 Ｆ ｝ ｆ 样 ｌ ： 控 机 和 显 爪 器 部 分组 成 ， ｌ 控 机 完 成
人机交 Ｅ 序的编 ’ ｉ ，实现 数｛ ＝ ｉ ｌ ｌ 的 分析 处理 以埂最终 决策 信
息输 Ｈ ，并 ｝ ＿ Ｊ ＿ 牛 成 系统 的 控 制 指 令 ，实 现 对 下 肢 外 骨 骼 机 器 人 的 控 制 。 问［ ｛ ｌ ｆ 完成埘一些外火 ｆ Ｉ ｔ ｆ 号的输 入 和输 处 理 。
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提Ｈ ｛ 使用 自适 应 Ｐ Ｉ Ｄ控 制器结合 Ｃ ＭＡＣ作 为补偿 器的 法进
行轨迹 跟踪控 制 ，ｌ ｊ 『 以 实 时 的 在 线 辨 识 系 统 模 型 参 数 进 行
调整以保证 系统的性 能 。控制 器设 计 下 ：Ｔ ＝ Ｔ ＋ Ｔ 。控 制
器 结 构 如 图 ２所 爪 。
研究 了ｒ ｛ 通 Ｐ Ｉ Ｄ结合 Ｃ ＭＡＣ提 供补偿 作为外骨骼跟随运
动 的 控 制 ‘ 法。
２人机 协调 运动 控制 方 法的研 究
２ ． １外 骨 骼 跟 随 运 动 系 统 通 过 交 互信 息 榆 洲 ｊ 人 体 运 动 意 网 估 计后 ，需 要 对 实 际
２ 。 ２基 于 ＣＭ ＡＣ 补 偿 的 自适 应 ＰＩ Ｄ控制器设计 目前 ，在 外 骨 骼 机 器 人 控 制 中 ，常 川 的 厅法 有 敏 放 大 控 制 、 鲁棒 控 制 、 阻 抗 控 制 、Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 以 硬 自适 『 １ 控制 ，
定 性 ，针 埘 不 同 的 穿 戴 行 ，模 型 具 有 时 变 ，小 史综 合 考 虑 ，
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得 到广泛 的ｌ 父渖 ， 对 于 外 骨 骼 准 确 获取 人 体 运 动 意 并 实
现 人 机 心运 动 一 ｌ Ｉ Ｉ ＝ 址难 点 。
５ ８ Ｉ 智 能 机 器 人
ＮＴ Ｅ Ｌ ＬＧ ＥＮ Ｔ Ｒ Ｏ Ｂ０ Ｔ
《 智能机 器人 》Ｄ ｅ ｃ ｅ ｍｂ ｅ ｒ ． ２ ０ １ ７
器人 系统的阻抗 参 数来实现 机器 人的 和位 置 的控 制 ，具有 很好 的鲁棒性 。然后 ５ ｎ 抗 控制 常用 的 法都是 基于 精确机器