(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211009102.0 (22)申请日 2022.08.22 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 申请人 北航歌尔 （潍 坊） 智能机 器人有限公 司 (72)发明人 石狄　冯蓬勃　张武翔　马宏刚　 刘源源　丁希仑　 (74)专利代理 机构 北京永创新实专利事务所 11121 专利代理师 易卜 (51)Int.Cl. A61H 1/02(2006.01) B25J 9/00(2006.01) B25J 9/16(2006.01)A63B 24/00(2006.01) (54)发明名称 一种基于下肢外骨骼机器人的多模式混合 控制方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于下肢外骨骼机器人 的多模式混合控制方法， 属于机器人控制领域； 具体为： 首先， 针对患者， 将其踝关节在三维空间 内的运动轨迹作为期望运动轨迹； 然后， 利用机 器人的角度传感器， 测量出机器人的运动角度， 通过运动学解算得到机器人 踝关节的实际位置； 分别在被动模式和主动模式下， 计算轨迹跟踪误 差和轮廓跟踪误差； 最后， 基于下肢外骨骼机器 人的动力学模 型， 利用轨迹跟踪误差和轮廓跟踪 误差分别计算主动控制模式下和被动控制模式 下的控制器的力矩值， 实现不同控制模式下的运 动。 本发明的两种控制器采用结构完全相同的控 制架构， 只是误差的表达方式不同， 因此可以基 于不同的康复训练需求， 输入不同的误差， 实现 训练模式的切换。 权利要求书2页 说明书8页 附图2页 CN 115381672 A 2022.11.25 CN 115381672 A 1.一种基于下肢外骨骼机器人的多模式混合控制方法， 其特 征在于， 具体步骤如下： 针对患者， 将其踝关节在三维空间内的运动轨 迹作为期望运动轨 迹f(s)； 然后、 利用机器人上的角度传感器， 测量出机器人的运动角度， 通过运动学解算得到机 器人踝关节的实际位置Pa(t)； 分别计算被动模式下， 机器人带动患者肢体运动， 利用患者的期望运动轨迹计算轨迹 跟踪误差ep1， 以及主动模式下， 患者的期望运动轨迹f(s)上， 距离当前实际位置最近的点 f (s*)到实际位置Pa(t)的距离， 即轮廓跟踪误差ep2； 最后、 基于下肢外骨骼机器人的动力学模型， 利用轨迹跟踪误差ep1和轮廓跟踪误差ep2 设计带有动力学模型和速度误差估计的控制器， 实现不同控制模式下的运动控制； 机器人的动力学 方程为： 其中M是惯量矩阵； C是哥氏力和向心力 项； G是引力 项； F为摩擦力； τext为人机之间的交 互力， 即患者施加给机器人的力； q＝[θh θk]T为广义变量， 其中θh和 θk分别为髋关节和膝关 节的角度， τ 为控制律， 设计为： J为机器人的雅各比， Kd为速度增益， 为速度误差的估计值， 为动力学模型的估计 值， Fa为力矩项， 被动控制模式下： Fa＝‑Kpep Kp是位置增益， ep是误差， 且此时ep＝ep1； 主动控制模式下： Fa＝k1ω1Fac+k2ω2Ftr ω2＝1‑ω1 k1和k2是控制增益， 用来调整输出力矩的幅值； ω1和ω2分别是切向分量和法向分量的 权重； r是根据姿态轮廓误差ep来调整两个分量的相对权值的变量； Fac和Ftr为在最近点施加调整力矩方向的单位向量， 计算公式为： Fac＝‑(n+b)/||n+b||＝‑ep/||ep|| Ftr＝t n和b分别表示最近位置处的法向量和副法向量， ep是误差， 此时ep＝ep2； t是最近位置处 的切向量。 2.如权利要求1所述的一种基于下肢外骨骼机器人的多模式混合控制方法， 其特征在 于， 所述期望运动轨 迹， 即f(s): l为区间的终点； 其中s∈[0,100]表示 当前运动时间t相对于步态周期 T的百分比， 表示 三维欧氏空间。 3.如权利要求1所述的一种基于下肢外骨骼机器人的多模式混合控制方法， 其特征在 于， 所述轨 迹跟踪误差ep1表示为： ep1＝Pa‑f(s)； 轮廓跟踪误差ep2表示为： ep2＝Pa‑f(s*)；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115381672 A 2其中， 距离当前实际位置最近的点f(s*)计算公式为： k和 λ为正的常数， kΨ为s的函数， ∑为滑模面函数； α 是阶次， 取α ≥1， Ψ是描述距离投影 的变量。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115381672 A 3