下肢機器人及利用該機器人進(jìn)行主動運動的控制方法與流程

本發(fā)明涉及工控技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種下肢機器人及利用該機器人進(jìn)行主動運動的控制方法。

背景技術(shù)：

目前，國內(nèi)很多研究機構(gòu)已相繼研究了各種類型的康復(fù)機器人，康復(fù)機器人可以模擬人類運動，可以幫助使用者解決生活困難，提高生活質(zhì)量。但大多數(shù)機器人仍然只能進(jìn)行簡單的被動動作。

有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種下肢機器人，以實現(xiàn)促使使用者主動進(jìn)行運動，并提高使用者的運動效果。此外，為此，還提供一種利用該機器人進(jìn)行主動運動的控制方法。

為了實現(xiàn)上述目的，一方面，提供了以下技術(shù)方案：

一種下肢機器人，其用于與使用者配合使用，且包括：

機械腿；

傳感系統(tǒng)，用于采集使用者和機械腿各關(guān)節(jié)之間的力矩信號和關(guān)節(jié)絕對角度信號，并將力矩信號和關(guān)節(jié)絕對角度信號發(fā)送至控制系統(tǒng)；

控制系統(tǒng)，用于通過力矩信號和關(guān)節(jié)絕對角度信號估計出使用者下肢生理學(xué)步態(tài)軌跡信號，并根據(jù)生理學(xué)步態(tài)軌跡信號驅(qū)動機械腿。

優(yōu)選地，控制系統(tǒng)具體包括：

上位機，用于根據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的關(guān)節(jié)角度信號和人機交互力矩信號，生成與生理學(xué)步態(tài)軌跡相關(guān)的第一運動控制指令和第二運動控制指令；

左腿驅(qū)動控制器，與上位機通信連接，用于接收第一編碼器產(chǎn)生的下肢各關(guān)節(jié)的第一角度信號，還用于接收上位機發(fā)送來的第一運 動控制指令，并根據(jù)第一角度信號和第一運動控制指令來驅(qū)動左腿髖關(guān)節(jié)電機和左腿膝關(guān)節(jié)電機，以驅(qū)動左腿；

右腿驅(qū)動控制器，與上位機通信連接，用于接收第二編碼器產(chǎn)生的下肢各關(guān)節(jié)的第二角度信號，還用于接收上位機發(fā)送來的第二運動控制指令，并根據(jù)第二角度信號和第二運動控制指令來驅(qū)動右腿髖關(guān)節(jié)電機和右腿膝關(guān)節(jié)電機，以驅(qū)動右腿；

左腿髖關(guān)節(jié)電機，與左腿驅(qū)動控制器相連；

左腿膝關(guān)節(jié)電機，與左腿驅(qū)動控制器相連；

第一光電編碼器，設(shè)置在左腿髖關(guān)節(jié)電機和左腿膝關(guān)節(jié)電機的軸端，并與左腿驅(qū)動控制器相連，生成左腿髖關(guān)節(jié)電機的第一位置信號和左腿膝關(guān)節(jié)電機的第二位置信號，并將第一和第二位置信號分別反饋至左腿驅(qū)動控制器；

右腿髖關(guān)節(jié)電機，與右腿驅(qū)動控制器相連；

右腿膝關(guān)節(jié)電機，與右腿驅(qū)動控制器相連；

第二光電編碼器，設(shè)置在右腿髖關(guān)節(jié)電機和右腿膝關(guān)節(jié)電機的軸端，并與右腿驅(qū)動控制器相連，生成右腿髖關(guān)節(jié)電機的第三位置信號和右腿膝關(guān)節(jié)電機的第四位置信號，并將第三和第四位置信號分別反饋至右腿驅(qū)動控制器；

采集卡，與關(guān)節(jié)絕對角度傳感器和關(guān)節(jié)力矩傳感器及上位機相連，用于對關(guān)節(jié)角度信號和人機交互力矩信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到上位機；

傳感系統(tǒng)具體包括：

關(guān)節(jié)絕對角度傳感器，與采集卡相連，用于采集關(guān)節(jié)角度信號；

關(guān)節(jié)力矩傳感器，與采集卡相連，用于采集人機交互力矩信號。

優(yōu)選地，傳感器系統(tǒng)對力矩信號和關(guān)節(jié)絕對角度信號進(jìn)行放大并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后發(fā)送至控制系統(tǒng)。

優(yōu)選地，左、右腿驅(qū)動控制器分別通過EtherCAT工業(yè)總線與上位機通信連接；采集卡通過PCI總線與上位機通信連接。

優(yōu)選地，下肢機器人還包括：跑步臺控制器和跑步臺驅(qū)動電機及跑步臺；跑步臺控制器通過SCI串行總線與上位機通信連接；跑步臺驅(qū)動電機通過SCI串行總線與上位機通信連接，以驅(qū)動跑步臺。

優(yōu)選地，下肢機器人還包括：

人機交互系統(tǒng)，與控制系統(tǒng)相連，用于接收使用者輸入的指令，并進(jìn)行運動監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理。

為了實現(xiàn)上述目的，另一方面，還提供了一種利用上述機器人進(jìn)行主動運動的控制方法，該方法包括：

獲取使用者與機械腿之間的力矩信號；

利用指數(shù)移動平均法對力矩信號進(jìn)行估計；

結(jié)合估計得到的力矩，根據(jù)位置式阻抗控制方法，計算使用者下肢各關(guān)節(jié)的期望運動的關(guān)節(jié)角度；

根據(jù)期望運動的關(guān)節(jié)角度，通過最優(yōu)化的方法計算得到生理學(xué)步態(tài)軌跡信號，并根據(jù)生理學(xué)步態(tài)軌跡信號控制機器人進(jìn)行主動運動。

優(yōu)選地，利用指數(shù)移動平均法對力矩信號進(jìn)行估計具體包括：

根據(jù)以下公式對力矩信號進(jìn)行估計：

其中，α表示遺忘因子；表示估計的力矩；i表示過去一段時間內(nèi)的某一時間序列點標(biāo)號；n取正整數(shù)；τ_i(t)表示時間序列中第i次采集到的力矩信號。

優(yōu)選地，結(jié)合估計得到的力矩，根據(jù)位置式阻抗控制方法，計算使用者下肢各關(guān)節(jié)的期望運動的關(guān)節(jié)角度，具體包括：

根據(jù)下式確定期望運動的關(guān)節(jié)角度：

其中，Δq表示角度變化量；K、B、M分別表示阻抗系數(shù)；s表示拉普拉斯變換算子；表示所估計的力矩；q₀(t)表示當(dāng)前運動的關(guān)節(jié)角度；q_d(t)表示期望運動的關(guān)節(jié)角度。

優(yōu)選地，阻抗系數(shù)通過以下方式來確定：基于估計的力矩及其差分，利用模糊算法，采用五級三角形隸屬度函數(shù)，來確定阻抗系數(shù)。

優(yōu)選地，基于估計的力矩及其差分，利用模糊算法，采用五級三角形隸屬度函數(shù)，來確定阻抗系數(shù)，具體包括：

計算估計的力矩及其差分的隸屬度函數(shù)；

對隸屬度函數(shù)進(jìn)行推理，得到推理結(jié)果；

對推理結(jié)果進(jìn)行綜合；

采用重心法對綜合結(jié)果進(jìn)行解模糊；

根據(jù)解模糊的結(jié)果以及阻抗系數(shù)的最大值和最小值限定值，計算阻抗系數(shù)。

優(yōu)選地，根據(jù)期望運動的關(guān)節(jié)角度，通過最優(yōu)化的方法計算得到生理學(xué)步態(tài)軌跡信號，具體包括：

根據(jù)下式確定生理學(xué)步態(tài)軌跡信號：

q_n(t)＝a·q₀(t)+b；

其中，q_n(t)表示生理學(xué)步態(tài)軌跡；q₀(t)表示當(dāng)前軌跡；a表示調(diào)整步態(tài)軌跡幅值的調(diào)整參數(shù)；b表示調(diào)整步態(tài)軌跡偏移的調(diào)整參數(shù)；J(a,b)表示評價函數(shù)；q_d(k)表示在一個步態(tài)周期內(nèi)某個時間節(jié)點的期望關(guān)節(jié)角度；q_n(k,a,b)表示按照某一組a、b取值得到的最終關(guān)節(jié)角度。

優(yōu)選地，調(diào)整參數(shù)采用梯度下降法，并通過最小化評價函數(shù)來予以確定。

優(yōu)選地，調(diào)整參數(shù)采用梯度下降法，并通過最小化評價函數(shù)來予以確定具體包括：

根據(jù)下式對調(diào)整參數(shù)的值進(jìn)行迭代，且使調(diào)整參數(shù)的值沿著評價函數(shù)梯度下降速率最快的方向迭代，并將使得評價函數(shù)取最小值時所對應(yīng)的調(diào)整參數(shù)值確定為最終的調(diào)整參數(shù)：

優(yōu)選地，根據(jù)生理學(xué)步態(tài)軌跡信號控制機器人進(jìn)行主動運動具體包括：

將生理學(xué)步態(tài)軌跡信號發(fā)送至左、右腿驅(qū)動控制器；

左、右腿驅(qū)動控制器根據(jù)生理學(xué)步態(tài)軌跡信號，驅(qū)動左腿髖關(guān)節(jié)電機、左腿膝關(guān)節(jié)電機、右腿髖關(guān)節(jié)電機及右腿膝關(guān)節(jié)電機，使機器人關(guān)節(jié)運動到期望角度。

本發(fā)明實施例提供一種下肢機器人和利用該機器人進(jìn)行主動運動的控制方法。其中，該下肢機器人用于與使用者配合使用，且包括機械腿、傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中，傳感系統(tǒng)用于采集使用者和機械腿各關(guān)節(jié)之間的力矩信號和關(guān)節(jié)絕對角度信號，并將力矩信號和關(guān)節(jié)絕對角度信號發(fā)送至控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)用于通過力矩信號和關(guān)節(jié)絕對角度信號估計出使用者下肢生理學(xué)步態(tài)軌跡信號，并根據(jù)生理學(xué)步態(tài)軌跡信號驅(qū)動機械腿。本發(fā)明利用傳感系統(tǒng)采集到力矩信號和關(guān)節(jié)絕對角度信號，由控制系統(tǒng)對其進(jìn)行估計，得出使用者下肢生理學(xué)步態(tài)軌跡信號，并根據(jù)生理學(xué)步態(tài)軌跡信號來驅(qū)動機械腿的關(guān)節(jié)的運動，實現(xiàn)了促使使用者主動進(jìn)行運動的優(yōu)點，并提高了使用者的運動效果。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的下肢機器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的另一下肢機器人的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的利用下肢機器人進(jìn)行主動運動的控制方法的流程示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的隸屬度函數(shù)的示意圖。

具體實施方式

下面參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，這些實施方式僅僅用于解釋本發(fā)明的技術(shù)原理，并非旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖1示例性地示出了下肢機器人的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，該機器人10用于與使用者配合使用，且包括機械腿12、傳感系統(tǒng)16和控制系統(tǒng)14。其中，傳感系統(tǒng)16用于采集使用者和機械腿12各關(guān)節(jié)之間的力矩信號和關(guān)節(jié)絕對角度信號，并將力矩信號和關(guān)節(jié)絕對角度信號發(fā)送 至控制系統(tǒng)14；控制系統(tǒng)14用于通過力矩信號和關(guān)節(jié)絕對角度信號估計出使用者下肢生理學(xué)步態(tài)軌跡信號，并根據(jù)生理學(xué)步態(tài)軌跡信號驅(qū)動機械腿。

上述實施例中，每條機械腿有兩個自由度，兩個自由度分別對應(yīng)人體下肢的髖、膝關(guān)節(jié)。兩條機械腿用于固定使用者的雙側(cè)下肢。

在實際應(yīng)用中，上述下肢機器人還可以包括懸吊系統(tǒng)，使用者通過懸吊系統(tǒng)(也稱懸吊減重系統(tǒng))可以處于直立位。

通過采用上述技術(shù)方案，利用傳感系統(tǒng)16采集到力矩信號和關(guān)節(jié)絕對角度信號，由控制系統(tǒng)14對其進(jìn)行估計，得出使用者下肢生理學(xué)步態(tài)軌跡信號，并根據(jù)生理學(xué)步態(tài)軌跡信號來驅(qū)動機械腿的關(guān)節(jié)的運動，實現(xiàn)了促使使用者主動進(jìn)行運動的優(yōu)點，并提高了使用者的運動效果。

優(yōu)選地，上述傳感器系統(tǒng)可以對力矩信號和關(guān)節(jié)絕對角度信號進(jìn)行放大并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后再發(fā)送至控制系統(tǒng)。

具體地，上述控制系統(tǒng)可進(jìn)一步包括：上位機、左腿驅(qū)動控制器、右腿驅(qū)動控制器、左腿髖關(guān)節(jié)電機、左腿膝關(guān)節(jié)電機、第一光電編碼器、右腿髖關(guān)節(jié)電機、右腿膝關(guān)節(jié)電機、第二光電編碼器和采集卡。其中，上位機用于根據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的關(guān)節(jié)角度信號和人機交互力矩信號，生成與生理學(xué)步態(tài)軌跡相關(guān)的第一運動控制指令和第二運動控制指令。左腿驅(qū)動控制器與上位機通信連接，用于接收第一編碼器產(chǎn)生的下肢各關(guān)節(jié)的第一角度信號，還用于接收上位機發(fā)送來的第一運動控制指令，并根據(jù)第一角度信號和第一運動控制指令來驅(qū)動左腿髖關(guān)節(jié)電機和左腿膝關(guān)節(jié)電機，以驅(qū)動左腿。右腿驅(qū)動控制器與上位機通信連接，用于接收第二編碼器產(chǎn)生的下肢各關(guān)節(jié)的第二角度信號，還用于接收上位機發(fā)送來的第二運動控制指令，并根據(jù)第二角度信號和第二運動控制指令來驅(qū)動右腿髖關(guān)節(jié)電機和右腿膝關(guān)節(jié)電機，以驅(qū)動右腿。左腿髖關(guān)節(jié)電機與左腿驅(qū)動控制器相連。左腿膝關(guān)節(jié)電機與左腿驅(qū)動控制器相連。第一光電編碼器設(shè)置在左腿髖關(guān)節(jié)電機和左腿膝關(guān)節(jié)電機的軸端，并與左腿驅(qū)動控制器相連，生成左腿髖關(guān)節(jié)電機的第一位置信號和左腿膝關(guān)節(jié)電機的第二位置信號，并將第一和第二位置信號分別反饋至左腿驅(qū)動控制器。右腿髖關(guān)節(jié)電機與右腿驅(qū)動控制器相連。右腿膝關(guān)節(jié)電機與右腿驅(qū)動控制器相連。第二光電編碼器設(shè)置在右腿髖關(guān)節(jié)電機和右腿膝關(guān) 節(jié)電機的軸端，并與右腿驅(qū)動控制器相連，生成右腿髖關(guān)節(jié)電機的第三位置信號和右腿膝關(guān)節(jié)電機的第四位置信號，并將第三和第四位置信號分別反饋至右腿驅(qū)動控制器。采集卡與關(guān)節(jié)絕對角度傳感器和關(guān)節(jié)力矩傳感器及上位機相連，用于對關(guān)節(jié)角度信號和人機交互力矩信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到上位機。傳感系統(tǒng)可進(jìn)一步包括：關(guān)節(jié)絕對角度傳感器和關(guān)節(jié)力矩傳感器。其中，關(guān)節(jié)絕對角度傳感器與采集卡相連，用于采集關(guān)節(jié)角度信號。關(guān)節(jié)力矩傳感器與采集卡相連，用于采集人機交互力矩信號。

在上述實施例中，左、右腿驅(qū)動控制器可以分別通過EtherCAT工業(yè)總線與上位機通信連接。采集卡可以通過PCI總線與上位機通信連接；采集卡優(yōu)選為A/D采集卡。

在上述實施例的基礎(chǔ)上，上述下肢機器人還可以包括：跑步臺控制器和跑步臺驅(qū)動電機及跑步臺。其中，該跑步臺控制器可以通過SCI串行總線與上位機通信連接；跑步臺驅(qū)動電機可通過SCI串行總線與上位機通信連接，以驅(qū)動所述跑步臺。

上述實施例中，機械腿、懸吊系統(tǒng)及跑步臺構(gòu)成下肢機器人的機械本體。通過跑步臺，使用者可以更好地進(jìn)行訓(xùn)練等運動。

在一些實施例中，上述下肢機器人還可以包括人機交互系統(tǒng)。該人機交互系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相連，用于接收使用者輸入的指令，并進(jìn)行運動監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理。

其中，人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)構(gòu)成了下肢機器人的電氣控制系統(tǒng)。使用者輸入的指令可以設(shè)定訓(xùn)練方式以及運動參數(shù)。

圖2示例性地示出了下肢機器人的結(jié)構(gòu)圖。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能理解，本發(fā)明實施例提供的下肢機器人還可以包括接口、存儲設(shè)備和急停開關(guān)電路以及使用者可以進(jìn)行操控的諸如鼠標(biāo)和/或鍵盤等操控設(shè)備。其中，上位機可以通過接口分別與存儲設(shè)備、急停開關(guān)電路、鍵盤鼠標(biāo)連接。

本發(fā)明實施例提供了更好的人機交互接口，能更有效地激勵患者主動參與運動的意識，有利于提高運動效果。

本發(fā)明實施例還提供一種利用上述機器人進(jìn)行主動運動的控制方法。如圖3所示，該方法可以包括：

S100：獲取使用者與機械腿之間的力矩信號。

在本步驟之前還可以包括：對力矩信號進(jìn)行放大、去噪以及加權(quán)平均處理。

在實際應(yīng)用中，通過傳感器系統(tǒng)采集使用者與機械腿之間的力矩。然后，通過放大器對力矩信號進(jìn)行放大處理。接著，通過上位機和A/D采集卡讀取放大后的力矩信號并進(jìn)行去除噪聲和對多個周期的數(shù)據(jù)加權(quán)平均的處理。

S110：利用指數(shù)移動平均法對力矩信號進(jìn)行估計。

本步驟利用指數(shù)移動平均法估計使用者的長時間主動運動意圖。該指數(shù)移動平均法也即指數(shù)平滑法或指數(shù)滑動平均法。該方法將任一期的指數(shù)平滑值確定為本期實際觀察值與前一期指數(shù)平滑值的加權(quán)平均。該指數(shù)移動平均法為最新的力矩信息分配了更大的權(quán)值，使得力矩估計更準(zhǔn)確。

作為示例，根據(jù)以下公式對力矩信號進(jìn)行估計：

上式還可以表示為：

其中，α表示遺忘因子，優(yōu)選地，α∈[0,1]；表示估計的力矩；i表示過去一段時間內(nèi)的某一時間序列點標(biāo)號；n取正整數(shù)；τ_i(t)表示時間序列中第i次采集到的力矩信號。

S120：結(jié)合估計得到的力矩，根據(jù)位置式阻抗控制方法，計算使用者下肢各關(guān)節(jié)的期望運動的關(guān)節(jié)角度。

該角度變化量為使用者下肢各關(guān)節(jié)當(dāng)前實際角度與期望角度的偏差。

具體地，根據(jù)下式確定所述期望運動的關(guān)節(jié)角度：

其中，Δq表示角度變化量；K、B、M分別表示阻抗系數(shù)；s表示拉普拉斯變換算子；表示所估計的力矩；q₀(t)表示當(dāng)前運動的關(guān)節(jié)角度；q_d(t)表示期望運動的關(guān)節(jié)角度。

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性同時適應(yīng)患者主動意圖的變化，阻抗控制的阻抗系數(shù)可以通過模糊控制策略進(jìn)行調(diào)整。

在一些優(yōu)選的實施例中，阻抗系數(shù)可以通過以下方式來確定：基于所估計的力矩及其差分，利用模糊算法，采用五級三角形隸屬度函數(shù)，來確定阻抗系數(shù)。

具體地，本步驟可以包括：

步驟A：計算所估計的力矩及其差分的隸屬度函數(shù)。

例如，可以列出模糊規(guī)則集，其中符號的含義為，LN(large negative，大負(fù))，N(negative，負(fù))，Z(zero，零)，P(positive，正)，LP(large positive，大正)?？梢允褂觅|(zhì)心加權(quán)平均方法來實現(xiàn)去模糊化，以使模糊控制器輸出隸屬度函數(shù)，例如，如圖4所示。

步驟B：對上述隸屬度函數(shù)進(jìn)行推理，得到推理結(jié)果。

例如：可以根據(jù)下式計算推理結(jié)果：

其中，μ_ci(z)表示對一條模糊規(guī)則的推理結(jié)果；表示力矩的隸屬度函數(shù)；表示力矩差分的隸屬度函數(shù)。

步驟C：對推理結(jié)果進(jìn)行綜合。

例如，可以根據(jù)下式按照推理規(guī)則對推理結(jié)果進(jìn)行綜合：

式中，μ_c'(z)為綜合推理結(jié)果；分別表示各條推理的結(jié)果。

步驟D：采用重心法對綜合結(jié)果進(jìn)行解模糊。

例如，可以根據(jù)下式對綜合結(jié)果進(jìn)行解模糊：

其中，z₀為模糊控制器輸出變量。

步驟E：根據(jù)解模糊的結(jié)果以及阻抗系數(shù)的最大值和最小值限定值，計算阻抗系數(shù)。

例如，可以根據(jù)下式計算阻抗系數(shù)：

式中，K、B、M為阻抗系數(shù)；K_min、B_min、M_min分別為阻抗系數(shù)的最小值限定值；K_max、B_max、M_max分別為阻抗系數(shù)的最大值限定值。

S130：根據(jù)期望運動的關(guān)節(jié)角度，通過最優(yōu)化的方法計算得到生理學(xué)步態(tài)軌跡信號，并根據(jù)該生理學(xué)步態(tài)軌跡信號控制機器人進(jìn)行主動運動。

具體地，本步驟可以根據(jù)下式確定生理學(xué)步態(tài)軌跡信號：

q_n(t)＝a·q₀(t)+b；

其中，q_n(t)表示生理學(xué)步態(tài)軌跡；q₀(t)表示當(dāng)前軌跡；a表示調(diào)整步態(tài)軌跡幅值的調(diào)整參數(shù)；b表示調(diào)整步態(tài)軌跡偏移的調(diào)整參數(shù)；J(a,b)表示評價函數(shù)；q_d(k)表示在一個步態(tài)周期內(nèi)某個時間節(jié)點的期望關(guān)節(jié)角度；q_n(k,a,b)表示按照某一組a、b取值得到的最終關(guān)節(jié)角度。

上述a、b可以選取合適的值，使得生理學(xué)步態(tài)軌跡q_n(t)最大程度地接近期望軌跡。

上述評價函數(shù)代表了最終生理學(xué)步態(tài)軌跡和期望軌跡之間的誤差，其值等于一個步態(tài)周期內(nèi)最終生理學(xué)步態(tài)軌跡q_n(t)與期望軌跡二范數(shù)的平方和。

本實施例通過最小化評價函數(shù)可以得到與期望軌跡最接近的生理學(xué)步態(tài)軌跡相對應(yīng)的調(diào)整參數(shù)a、b。

在一些優(yōu)選地實施方式中，采用梯度下降法，通過最小化評價函數(shù)來確定調(diào)整參數(shù)a、b。

舉例來說，根據(jù)下式確定調(diào)整參數(shù)a、b：

其中，對a、b的值進(jìn)行迭代，且使a、b的值沿著評價函數(shù)J(a,b)梯度下降速率最快的方向迭代，則將使得評價函數(shù)J(a,b)取最小值時所對應(yīng)的a、b值確定為最終的調(diào)整參數(shù)。

在一些優(yōu)選的實施例中，根據(jù)生理學(xué)步態(tài)軌跡信號控制機器人進(jìn)行主動運動的步驟具體可以通過步驟S140和步驟S150來實現(xiàn)。其中：

S140：將生理學(xué)步態(tài)軌跡信號發(fā)送至左、右腿驅(qū)動控制器。

具體地，本步驟可以包括：對生理學(xué)步態(tài)軌跡信號進(jìn)行平滑濾波，將濾波之后的信號發(fā)送至左、右腿驅(qū)動控制器。

S150：左、右腿驅(qū)動控制器根據(jù)生理學(xué)步態(tài)軌跡信號，驅(qū)動左腿髖關(guān)節(jié)電機、左腿膝關(guān)節(jié)電機、右腿髖關(guān)節(jié)電機及右腿膝關(guān)節(jié)電機，使機器人關(guān)節(jié)運動到期望角度。

在實施過程中，左、右腿驅(qū)動控制器可以通過驅(qū)動電流驅(qū)動左腿髖關(guān)節(jié)電機、左腿膝關(guān)節(jié)電機、右腿髖關(guān)節(jié)電機及右腿膝關(guān)節(jié)電機，使機器人關(guān)節(jié)運動到期望角度。

下面以上述機器人作為訓(xùn)練機器人為例來詳細(xì)說明本發(fā)明的工作過程。

在訓(xùn)練機器人工作時，上位機按照人機交互系統(tǒng)設(shè)定的訓(xùn)練模式和參數(shù)，計算期望的關(guān)節(jié)角度軌跡，通過EtherCAT工業(yè)總線將數(shù)據(jù)發(fā)送給左、右腿驅(qū)動控制器(即左、右腿關(guān)節(jié)驅(qū)動控制器)。然后，左、右腿驅(qū)動控制器通過電機軸端的第一和第二光電編碼器獲得左腿髖關(guān)節(jié)電機、左腿膝關(guān)節(jié)電機、右腿髖關(guān)節(jié)電機及右腿膝關(guān)節(jié)電機的位置信號、速度和加速度信息，并將它們反饋到左腿驅(qū)動控制器和右腿驅(qū)動控制器中，實現(xiàn)力矩、速度、位置的三層控制環(huán)路，對左腿髖關(guān)節(jié)電機、左腿膝關(guān)節(jié)電機、右腿髖關(guān)節(jié)電機及右腿膝關(guān)節(jié)電機的運動進(jìn)行控制。上位機通過機器人關(guān)節(jié)絕對角度傳感器讀取髖、膝關(guān)節(jié)角度的實時數(shù)據(jù)，與期望關(guān)節(jié)角度進(jìn)行比較，調(diào)整向左腿驅(qū)動控制器和右腿驅(qū)動控制器發(fā)送的運動指令，補償髖、膝關(guān)節(jié)角度的運動誤差。同時，上位機采集關(guān)節(jié)力矩傳感器的信號對使用者主動力矩進(jìn)行計算，得到使用者主動運動意圖，通過自適應(yīng)控制算法對期望關(guān)節(jié)角度進(jìn)行調(diào)整，將調(diào)整后的期望關(guān)節(jié)角度發(fā)送給左、右腿驅(qū)動控制器。

需要說明的是，上述實施例中的運動可以表現(xiàn)為一種訓(xùn)練。

下面以使用者進(jìn)行訓(xùn)練為例，詳細(xì)說明利用上述機器人進(jìn)行主動訓(xùn)練的控制方法。該方法可以包括：

步驟1：使用者通過懸吊減重系統(tǒng)處于直立位，使用者的雙側(cè)下肢分別與機器人的兩條機械腿固定。

步驟2：通過人機交互系統(tǒng)設(shè)定主動訓(xùn)練使能狀態(tài)，髖、膝關(guān)節(jié)的最大調(diào)整范圍和訓(xùn)練步速。

步驟3：主動訓(xùn)練開始：機器人與使用者同時運動，使用者根據(jù)自身運動意愿主動施加力量。

步驟4：在使用者運動時，傳感器系統(tǒng)采集使用者與機器人之間的人機交互力，通過放大器對信號進(jìn)行放大處理，上位機通過A/D采集卡讀取信號并進(jìn)行諸如去除噪聲和對多個周期的數(shù)據(jù)加權(quán)平均等處理，得到力矩信號。

步驟5：基于力矩信號，根據(jù)位置式阻抗控制策略計算出使用者各關(guān)節(jié)當(dāng)前實際角度與期望角度的偏差。

步驟6：根據(jù)該偏差控制下肢機器人進(jìn)行主動運動。

本發(fā)明實施例利用上述機器人對使用者進(jìn)行基于人機交互力矩反饋的主動訓(xùn)練，在主動訓(xùn)練過程中，機器人各關(guān)節(jié)可以在使用者主動策略的控制下進(jìn)行訓(xùn)練。

上述實施例中雖然將各個步驟按照上述先后次序的方式進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，為了實現(xiàn)本實施例的效果，不同的步驟之間不必按照這樣的次序執(zhí)行，其可以同時(并行)執(zhí)行或以顛倒的次序執(zhí)行，這些簡單的變化都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。