• CN:11-2187/TH
  • ISSN:0577-6686

机械工程学报 ›› 2020, Vol. 56 ›› Issue (19): 200-209.doi: 10.3901/JME.2020.19.200

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上肢外骨骼机器人的阻抗控制与关节试验研究

李海源1, 刘畅2, 严鲁涛1, 张斌1, 李端玲1, 张勤俭3   

  1. 1. 北京邮电大学自动化学院 北京 100876;
    2. 北京交通大学机械与电子控制工程学院 北京 100044;
    3. 北京信息科技大学机电工程学院 北京 100192
  • 收稿日期:2020-05-31 修回日期:2020-08-15 出版日期:2020-10-05 发布日期:2020-11-17
  • 通讯作者: 张勤俭(通信作者),男,1972年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为智能制造、机器人与特种加工。E-mail:13671245929@126.com
  • 作者简介:李海源,男,1986年出生,博士,高级工程师,硕士研究生导师。主要研究方向为医疗手术与遥操作机器人、灵巧手与灵巧操作机器人、模块化自重构机器人。E-mail:lihaiyuan@bupt.edu.cn
  • 基金资助:
    国家重点研发计划“智能机器人”重点专项(2019YFB1309802)、中国载人航天预先研究项目(060601)和中央高校基本科研业务费专项资金(2019RC28)资助项目。

Research on Impendence Control of an Upper Limb Exoskeleton Robot and Joint Experiments

LI Haiyuan1, LIU Chang2, YAN Lutao1, ZHANG Bin1, LI Duanling1, ZHANG Qinjian3   

  1. 1. School of Automation, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876;
    2. School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044;
    3. School of Electromechanical Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192
  • Received:2020-05-31 Revised:2020-08-15 Online:2020-10-05 Published:2020-11-17

摘要: 外骨骼机器人穿戴于人体上,可以作为一种助力、增强或者交互的工具,应用于康复、遥操作等领域。针对上肢外骨骼机器人的人机交互控制问题,提出一种上肢外骨骼机器人的阻抗控制模型,并建立了一体化关节的动力学模型,详细设计了单关节的阻抗控制方法。基于外骨骼机器人在人机交互控制中的随动任务特性,设计了基于力的阻抗控制方法以及基于位置的阻抗控制方法。针对阻抗控制模型为二阶系统的特点,提出了阻抗控制参数优化分析的方法。建立了单关节阻抗控制的数值仿真模型,通过仿真试验分析了惯性参数、阻尼参数、刚度参数以及人机接触刚度对阻抗控制性能的影响。开展了单关节系统的阻抗控制硬件试验。试验结果表明单关节系统的触碰检测、重力补偿以及阻抗控制均可实现,并且操作者与关节系统可以实现协同运动。

关键词: 上肢外骨骼, 阻抗控制, 遥操作, 机器人, 人机交互

Abstract: The exoskeleton robot is worn by the human operator, which can be designed as an assistance, augmentation or interaction device for rehabilitation or teleoperation field. Human-robot interaction control is important for an upper limb exoskeleton robot. An impendence control model for an upper limb exoskeleton robot is proposed and the dynamics model of an integrated joint and the impendence control approach is designed in detail. A position-based impedance control method and a force-based impedance control method are presented to deal with the following task in exoskeleton robot interaction. Parameter improvement method of impedance control is discussed based on characteristics of a secondary system. The numerical simulation model of a single joint's impedance control is established, and the influence of inertia, damping, stiffness and human-robot stiffness parameter on impedance control performance is respectively analyzed by simulation experiments. The physical experiments of a single joint's impedance control are set up. The experimental results show that the collision safety function, gravity compensation, and impedance control are available and the human-robot cooperative movement is verified.

Key words: upper limb exoskeleton, impendence control, teleoperation, robot, human-robot interaction

中图分类号: