机械外骨骼的驱动方法、装置、存储介质和处理器与流程

1.本公开涉及外骨骼驱动技术领域，具体而言，涉及一种机械外骨骼的驱动方法、装置、存储介质和处理器。


背景技术：

2.目前，应用于体能增强的外骨骼作为具有强大功能的可穿戴机械设备，已经受到越来越多国内外学者和科研人员的重视，已然成为新的研究热点，并且逐步运用到军工领域。但是，现有的机械外骨骼驱动系统的体积和重量都较大，且驱动油路也较为复杂，从而导致机械外骨骼在使用过程中存在安全问题。
3.针对上述机械外骨骼在使用过程中安全性低的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供了一种机械外骨骼的驱动方法、装置、存储介质和处理器，以至少解决机械外骨骼在使用过程中安全性低的技术问题。
5.根据本公开实施例的一个方面，提供了一种机械外骨骼的驱动方法。该方法可以包括：基于执行机构的当前位置信息，控制目标电机生成驱动信号；基于驱动信号为液压阀生成液压信号；基于液压信号控制液压阀对执行机构的运动状态进行控制，以将执行机构的位置信息由当前位置信息调整至目标位置信息，其中，执行机构的位置信息用于控制机械外骨骼的关节进行运动。
6.可选地，基于驱动信号为液压阀生成液压信号，包括：基于驱动信号驱动液压泵为液压阀生成液压信号。
7.可选地，基于液压信号控制液压阀对执行机构的运动状态进行控制，包括：基于液压信号控制执行机构运动的目标速度和目标力矩，其中，目标速度与目标力矩成反比关系。
8.可选地，基于梯形波函数确定目标电机旋转时的定子相绕组的反向电动势，其中，梯形波函数的波形与目标电机的气隙磁场波形一致；基于反向电动势确定目标电机的定子相位绕组电压；控制目标电机生成驱动信号，包括：基于定子相位绕组电压控制目标电机生成驱动信号。
9.可选地，基于梯形波函数确定目标电机旋转时的定子相绕组的反向电动势，包括：基于梯形波函数、目标电机的磁链和目标电机的转子的角速度，确定反向电动势。
10.可选地，基于目标电机的电磁转矩确定梯形波函数。
11.可选地，基于反向电动势确定目标电机的定子相位绕组电压，包括：基于目标电机的定子相绕组电阻、定子相绕组电流和反向电动势，确定定子相位绕组电压。
12.可选地，基于梯形波形函数的目标变量确定目标电机的三相霍尔信号，其中，目标变量由目标电机的目标相位角确定，三相霍尔信号为目标电机的三相霍尔效应传感器的信号。
13.可选地，确定三相霍尔信号中存在相位异常的第一霍尔信号，则对三相霍尔信号中相位正常的第二霍尔信号的相位进行延迟，得到第三霍尔信号；基于第三霍尔信号对第一霍尔信号进行重构。
14.可选地，对三相霍尔信号中相位正常的第二霍尔信号的相位进行延迟，得到第三霍尔信号，包括：对第二霍尔信号的相位延迟目标电角，得到第三霍尔信号，其中，目标电角用于表示三相霍尔信号之间的差异角。
15.根据本公开实施例的另一方面，还提供一种机械外骨骼的驱动装置，该装置可以包括：第一控制单元，用于基于执行机构的当前位置信息，控制目标电机生成驱动信号；生成单元，用于基于驱动信号为液压阀生成液压信号；第二控制单元，用于基于液压信号控制液压阀对执行机构的运动状态进行控制，以将执行机构的位置信息由当前位置信息调整至目标位置信息，其中，执行机构的位置信息用于控制机械外骨骼的关节进行运动。
16.根据本公开实施例的另一方面，还提供一种计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在程序被处理器运行时控制计算机可读存储介质所在设备执行本公开实施例的绳索的控制方法。
17.根据本公开实施例的另一方面，还提供一种处理器。该处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行本公开实施例的绳索的控制方法。
18.在本公开实施例中，基于执行机构的当前位置信息，控制目标电机生成驱动信号；基于驱动信号为液压阀生成液压信号；基于液压信号控制液压阀对执行机构的运动状态进行控制，以将执行机构的位置信息由当前位置信息调整至目标位置信息，其中，执行机构的位置信息用于控制机械外骨骼的关节进行运动。也就是说，首先根据执行机构的当前位置信息，生成驱动信号，然后基于该驱动信号生成液压信号，从而对执行机构的运动状态进行控制，进而将执行机构由当前位置调整至目标位置，解决了机械外骨骼在使用过程中安全性低的技术问题，实现了提高机械外骨骼在使用过程中的安全性的技术效果。
附图说明
19.此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本技术的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
20.图1是根据本公开实施例的一种下肢外骨骼驱动方法流程图；
21.图2是根据本公开实施例的一种外骨骼驱动系统结构框图；
22.图3是根据本公开实施例的一种下肢外骨骼液压驱动系统的原理图；
23.图4是根据本公开实施例的一种下肢外骨骼液压系统结构图；
24.图5是根据本公开实施例的一种无刷直流电机的等效电路图；
25.图6是根据本公开实施例的一种梯形波函数波形图；
26.图7是根据本公开实施例的一种旋转电周期三相霍尔效应传感器信号波形图；
27.图8是根据本公开实施例的一种霍尔故障检测与识别波形图；
28.图9是根据本公开实施例的一种霍尔相位a故障时的霍尔信号重构波形图；
29.图10(a)是根据本公开实施例的一种仿真输出的速度图；
30.图10(b)是根据本公开实施例的一种输出转矩图；
31.图10(c)是根据本公开实施例的一种相电流图；
32.图10(d)是根据本公开实施例的一种反电动势波形图；
33.图11根据本公开实施例的一种机械外骨骼的驱动装置的示意图。
具体实施方式
34.为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本公开保护的范围。
35.需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
36.实施例1
37.根据本公开实施例，提供了一种机械外骨骼的驱动方法的实施例。
38.在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
39.图1是根据本公开实施例的一种机械外骨骼的驱动方法的流程图。如图1所示，该方法可以包括如下步骤：
40.步骤s102，基于执行机构的当前位置信息，控制目标电机生成驱动信号。
41.在本公开上述步骤s102提供的技术方案中，执行机构用于由液压信号控制，进而控制机械外骨骼的关节进行运动，其可以包括髋关节液压缸和膝关节液压缸，目标电机为直流电机，驱动信号可以包括髋关节和膝关节的伸长或缩回。
42.可选地，直流电机可以根据下肢外骨骼当前所处的位置信息自动确定下一个动作是伸长还是缩回。
43.步骤s104，基于驱动信号为液压阀生成液压信号。
44.在本公开上述步骤s104提供的技术方案中，直流电机通过驱动微型液压泵为外骨骼提供液压动力，液压阀根据收到的驱动信号为外骨骼驱动系统实现逻辑控制，其中，液压信号为髋关节与膝关节液压缸的伸长或缩回。
45.举例而言，整个液压驱动系统根据左腿与右腿驱动，分为两路液压回路，由直流电机带动齿轮泵产生的高压油液经过单向阀后，可直接驱动髋关节与膝关节液压缸伸长，而髋关节与膝关节液压缸的缩回由常闭型电磁阀控制。
46.步骤s106，基于液压信号控制所述液压阀对执行机构的运动状态进行控制，以将执行机构的位置信息由当前位置信息调整至目标位置信息，其中，执行机构的位置信息用于控制机械外骨骼的关节进行运动。
47.在本公开上述步骤s106提供的技术方案中，液压阀根据液压信号控制髋关节与膝关节液压缸的伸长或缩回，从而控制下肢外骨骼的运动状态，其中，运动状态可以包括前进或者后退，此处不做限定。
48.通过本技术上述步骤s102至步骤s106，基于执行机构的当前位置信息，控制目标电机生成驱动信号；基于驱动信号为液压阀生成液压信号；基于液压信号控制液压阀对执行机构的运动状态进行控制，以将执行机构的位置信息由当前位置信息调整至目标位置信息，其中，执行机构的位置信息用于控制机械外骨骼的关节进行运动。也就是说，首先根据执行机构的当前位置信息，生成驱动信号，然后基于该驱动信号生成液压信号，从而对执行机构的运动状态进行控制，进而将执行机构由当前位置调整至目标位置，解决了机械外骨骼在使用过程中安全性低的技术问题，实现了提高机械外骨骼在使用过程中的安全性的技术效果。
49.下面对该实施例的上述方法进行进一步介绍。
50.作为一种可选的实施方式，步骤s104，基于驱动信号为液压阀生成液压信号，包括：基于驱动信号驱动液压泵为液压阀生成液压信号。
51.在该实施例中，液压阀根据收到的驱动信号驱动液压泵为外骨骼驱动系统实现逻辑控制，其中，液压信号为髋关节与膝关节液压缸的伸长或缩回。
52.作为一种可选的实施方式，步骤s106，基于液压信号控制液压阀对执行机构的运动状态进行控制，包括：基于液压信号控制执行机构运动的目标速度和目标力矩，其中，目标速度与目标力矩成反比关系。
53.在该实施例中，目标速度为执行机构的流量，目标力矩为执行机构的油压，驱动系统的液压与流量特性属于动态问题，需要通过液压控制阀来平衡执行机构的速度与力矩的关系，以确保在期望的速度下，有足够的力矩驱动外骨骼进行运动。
54.作为一种可选的实施方式，步骤s106，基于梯形波函数确定目标电机旋转时的定子相绕组的反向电动势，其中，梯形波函数的波形与目标电机的气隙磁场波形一致；基于反向电动势确定目标电机的定子相位绕组电压；控制目标电机生成驱动信号，包括：基于定子相位绕组电压控制目标电机生成驱动信号。
55.在该实施例中，梯形波函数可以通过有限元分析、傅里叶变换或分段线性方法来建模。前两种建模方法仿真精度较高，但计算量较大，会显著降低仿真速度。相对而言，分段线性法计算简单，精度能满足仿真要求。因此，本实施例采用分段线性方法建立梯形波函数，得到反向电动势，从而确定目标电机旋转时的定子相位绕组电压，生成驱动信号。
56.作为一种可选的实施方式，基于梯形波函数确定目标电机旋转时的定子相绕组的反向电动势，包括：基于梯形波函数、目标电机的磁链和目标电机的转子的角速度，确定反向电动势。
57.在该实施例中，根据基尔霍夫电流定律与牛顿第二定律可以得到目标电机的磁链和目标电机的转子的角速度，从而得到目标电机旋转时的定子相绕组的反向电动势，且该定子相绕组的反向电动势与定子相位绕组电压满足无刷直流电动机三相绕组电压平衡方程。
58.作为一种可选的实施方式，基于目标电机的电磁转矩确定梯形波函数。
59.在该实施例中，依据反向电动势的波形的周期性，确定目标电机的电磁转矩，进而
确定梯形波函数。
60.作为一种可选的实施方式，基于反向电动势确定目标电机的定子相位绕组电压，包括：基于目标电机的定子相绕组电阻、定子相绕组电流和反向电动势，确定定子相位绕组电压。
61.在该实施例中，定子相绕组的反向电动势与定子相位绕组电压满足无刷直流电动机三相绕组电压平衡方程，无刷直流电动机三相绕组电压平衡方程可表示为：
[0062][0063]
其中，u
an
、u
bn
、u
cn
为定子相位绕组电压；r是定子相绕组电阻；ia、ib、ic为定子相绕组电流；ea、eb、ec为定子相绕组的反向电动势；l是自感电动势；m为互感系数。
[0064]
可选地，根据无刷直流电动机三相绕组电压平衡方程和定子相绕组的反向电动势，即可得到定子相绕组电流和反向电动势，确定定子相位绕组电压。
[0065]
作为一种可选的实施方式，基于梯形波形函数的目标变量确定目标电机的三相霍尔信号，其中，目标变量由目标电机的目标相位角确定，三相霍尔信号为目标电机的三相霍尔效应传感器的信号。
[0066]
在该实施例中，霍尔效应传感器的安装位置会影响无刷直流电机的霍尔信号相位差与转子电角的0该位置，因此建模过程需要提前假设霍尔效应传感器的安装位置正确。
[0067]
作为一种可选的实施方式，确定三相霍尔信号中存在相位异常的第一霍尔信号，则对三相霍尔信号中相位正常的第二霍尔信号的相位进行延迟，得到第三霍尔信号；基于第三霍尔信号对第一霍尔信号进行重构。
[0068]
在该实施例中，在至少两个霍尔效应传感器正常工作的情况下，通过重构外骨骼电源单元的霍尔信号，可实现单霍尔传感器容错控制，其中，单相霍尔容错控制是基于速度估计与信号延迟的，因此信号重构时间受到电机速度估计精度和电机惯量的影响。
[0069]
作为一种可选的实施方式，三相霍尔信号中相位正常的第二霍尔信号的相位进行延迟，得到第三霍尔信号，包括：对第二霍尔信号的相位延迟目标电角，得到第三霍尔信号，其中，目标电角用于表示三相霍尔信号之间的差异角。
[0070]
在该实施例中，当至少有两个霍尔传感器正常工作时，可根据三相霍尔信号间隔120度电角的特点，利用信号延迟和重构可实现霍尔容错控制。
[0071]
在本公开实施例中，基于执行机构的当前位置信息，控制目标电机生成驱动信号；基于驱动信号为液压阀生成液压信号；基于液压信号控制液压阀对执行机构的运动状态进行控制，以将执行机构的位置信息由当前位置信息调整至目标位置信息，其中，执行机构的位置信息用于控制机械外骨骼的关节进行运动。也就是说，首先根据执行机构的当前位置信息，生成驱动信号，然后基于该驱动信号生成液压信号，从而对执行机构的运动状态进行控制，进而将执行机构由当前位置调整至目标位置，解决了机械外骨骼在使用过程中安全性低的技术问题，实现了提高机械外骨骼在使用过程中的安全性的技术效果。
[0072]
实施例2
[0073]
下面结合优选的实施方式对本公开实施例的技术方案进行举例说明。
[0074]
随着现代化战争发展，武器装备不断改善，士兵背负重量越来越重，从而直接影响了士兵的战斗力和健康状况。战争需要付出生命的代价，无论多么先进的技术都很难想象战争中不再需要战斗人员，而且战斗人员又是军事系统中最有价值但却是最脆弱的一环。既然战争不可避免，军队自然就必须着力保护并强化士兵自身，增强单兵作业效能。人体增强技术为此带来了希望，它不仅是单纯的工具，而且一旦进入人体成为人体的一部分，可以创造出独特的军事竞争优势。
[0075]
针对单兵作业，尤其是针对单兵在高寒、高海拔等复杂环境下的携行机动、巡逻、作战等作业的迫切应用需求，研究以增强人体负重能力，降低人体代谢消耗为主要设计目标的下肢型外骨骼，具有重要的意义。
[0076]“外骨骼”这一名词来源于生物学中昆虫和壳类动物的坚硬外壳，“外骨骼”主要为昆虫和壳类动物提供了防护和支撑功能。“人体机械外骨骼系统”是一种穿戴在操作者身体外部的装备，在为穿戴者提供身体支撑、保护等功能的基础上，也为穿戴者提供了额外的动力或能力，增强了人体机能，使穿戴者完成一定难度的功能和任务。
[0077]
下肢外骨骼，是一种人体负重助力装置，主要根据仿生学的思想，为穿戴者设计一套体外支架，通过将外挂物重量传导到地面的同时，放大穿戴者的肢体动感，做到既增强士兵作业能力，又保持其行动灵活性，它不受地面路况、天气环境、作业时间与空间的约束，其拟人化结构设计可以使外骨骼与使用者的四肢运动保持协调一致，负重通过外骨骼骨架转移到腿部与地面，士兵感受的负重只有实际负重的40％甚至更低，从而极大地减少士兵的体能消耗，使其在高强度作业后仍然保持较充沛的体能，提高作业效率。
[0078]
下肢外骨骼可以在不限制运动灵活度的前提下，增强士兵负重能力，减小士兵疲劳程度，降低受伤几率，提高战斗力，有效解决城市复杂地形环境、高原山地缺氧环境的士兵体能问题。
[0079]
由于下肢外骨骼的设计初衷是帮助人类负重行走，增强行走能力和速度，减轻长途跋涉负重后的疲劳。因此它不仅在军事领域具有重要的应用价值，还可广泛应用于抢险救灾、攀登、建筑与工业辅助等民用领域。
[0080]
下肢外骨骼要实现为人体助力，在支撑相需要体现出“刚性”对人体进行负载支撑，在摆动相负载不干扰人体的正常行走，达到人机交互力最小，两者既有明显不同的功能需求又有着“同一机械结构”这一本质联系。
[0081]
现有的机械外骨骼驱动系统的体积和重量都较大，且驱动油路也较为复杂，从而导致机械外骨骼在使用过程中存在安全问题。
[0082]
然而，本技术提出了一种机械外骨骼的驱动方法，该方法可以通过增加电机的容错控制模块来保证电机的正常工作，从而提高机械外骨骼的可靠性和安全性。
[0083]
在该实施例中，提出一种外骨骼驱动系统结构框图，如图2所示，图2是根据本公开实施例的一种外骨骼驱动系统结构框图。该实施例的负载机动型外骨骼使用蓄电池-液压动力方式，采用锂电池(蓄电池为锂电池)作为能量来源，通过直流电机驱动微型液压泵为外骨骼提供液压动力，通过液压阀实现逻辑控制，以髋关节液压缸和膝关节液压缸作为执行机构，从而实现对下肢关节运动的控制。
[0084]
在该实施例中，还提出一种下肢外骨骼液压驱动系统的原理图，如图3所示，图3是根据本公开实施例的一种下肢外骨骼液压驱动系统的原理图。该下肢外骨骼液压驱动系统，包括：密闭油囊301、第一三通302、第一液压管式溢流阀(yf-l8h1-s)303、第一电动齿轮泵304、第一单向阀305、常闭型二通电磁阀306、第一四通307、第一油缸(1670)308、m6内油缸(1430)309、第二三通310、第二液压管式溢流阀(yf-l8h1-s)311、第二电动齿轮泵312、第二单向阀313、常开型二通电磁阀314、第二四通315、第二油缸(1670)316、油缸(1430)317。
[0085]
在该实施例的下肢外骨骼液压驱动系统中，整个液压驱动系统根据左腿与右腿驱动，分为两路液压回路，由直流电机带动齿轮泵产生的高压油液经过单向阀后，可直接驱动髋关节与膝关节液压缸伸长，两缸的输入油压与流量由电机直接控制，而两缸的缩回由常闭型电磁阀控制。执行机构中关节液压缸的驱动油路通过并联的方式实现油路连接，在关节液压缸的设计上，本公开的可穿戴液压系统中在髋关节液压缸与膝关节液压缸使用单作用油缸(伸长方向主动，缩回方向被动)，并通过液压控制阀对各缸进行换相与流量控制，从而实现对关节运动的控制。
[0086]
可选地，下肢外骨骼的液压回路整体为闭式系统，即回路中各管路、接头、阀块、执行机构、泵体等各液压元件的流道整体组成封闭容腔，液压介质不与空气接触。闭式系统可以防止液压介质受到来自空气中的固体颗粒及水分的污染，避免空气混入液压介质降低其弹性模量。
[0087]
可选地，下肢外骨骼的液压系统结构组成如图4所示，图4是根据本公开实施例的一种下肢外骨骼液压系统结构图，该下肢外骨骼液压系统的结构组成可以包括：pa(尼龙)软管401、二位二通常闭高压电磁阀402、髋关节液压缸403、密闭油囊404、齿轮泵405、直流电机406、液压管式溢流阀407、压力表408、高压软管409、膝关节液压缸410。
[0088]
在该实施例的下肢外骨骼液压系统中，两路的液压泵、液压缸、换向阀、压力表等液压元件集成一体形成微型液压站，液压站中分别伸出两条液压管用于驱动髋关节液压缸与膝关节液压缸，两缸的油液回流管与进油管共用同一条液压管。液压系统采用的液压泵为高转速齿轮泵，其工作转速可达到10000rpm，可被电机直接驱动，减少电机与液压泵之间的传动、变速机构，降低整体重量和空间占用。同时高转速还具有体积小、重量轻的特点，是实现高功率密度驱动系统的关键元件。
[0089]
可选地，液压泵的工作参数通过电机的转矩匹配、工作效率等因素确定，具体参数如表1所示，表1是根据本公开实施例的一种下肢外骨骼液压驱动系统参数设计表。
[0090]
表1 下肢外骨骼液压驱动系统参数设计表
[0091][0092]
外骨骼驱动系统执行机构设计的主要难点是选择执行机构尺寸和安装位置，使执
行机构输出的关节扭矩始终超过外骨骼所需要的扭矩。但是当执行机构的输出扭矩超出所需的关节扭矩太多，则会导致系统效率低下，能量损失加大。因此，执行机构的设计需要综合考虑峰值转矩大小与其功率效率之间的关系。
[0093]
液压执行机构的设计解决了外骨骼驱动系统的静态计算问题，而驱动系统的液压与流量特性属于动态问题，需要通过液压控制阀的计算解决。传输到执行机构的流量与油压成反比关系，因此需要控制阀来平衡执行机构输出速度(流量)与力矩(油压)的关系，以确保在期望的速度下，有足够的力矩驱动外骨骼行走。
[0094]
作为一种可选的实施例，在该实施例中，提出一种直流电机建模与容错控制优化方法，该方法主要包括以下几个部分：
[0095]
第一部分，直流电机建模。
[0096]
为了简化电机模型，保证实际工程应用的准确性，在对无刷直流电动机建模之前，需要做以下6个假设：
[0097]
(1)三相绕组空间均匀，完全对称；
[0098]
(2)三相霍尔以120尔相位角均匀间隔；
[0099]
(3)气隙磁场波形是理想的梯形波；
[0100]
(4)忽略电机的齿槽效应、电枢反应和换相过程的影响
[0101]
(5)忽略电机的磁饱和效应；
[0102]
(6)忽略电机的磁滞损失和涡流损失。
[0103]
对无刷直流电机建模完成后，其等效电路图如图5所示，图5是根据本公开实施例的一种无刷直流电机的等效电路图。根据图5所示的电矢量方向和电机协议，无刷直流电动机三相绕组电压平衡方程可表示为：
[0104][0105]
其中，u
an
、u
bn
、u
cn
可以用于表示定子相位绕组电压；r可以用于表示定子相绕组电阻；ia、ib、ic为定子相绕组电流；ea、eb、ec为定子相绕组的反向电动势；l是自感电动势；m为互感系数。
[0106]
根据基尔霍夫电流定律，星形绕组无刷直流电机的三相电流满足：
[0107]
ia+ib+ic＝0
[0108]
对于三相对称式同步电机，如果只考虑电机反向电动势的基本分量，则有：
[0109]
ea+eb+ec＝0
[0110]
ea+eb+ec＝0
[0111]
根据牛顿第二定律，运动学方程可以表示为：
[0112]
[0113][0114][0115]
其中，te为电机的电磁转矩；kf是阻尼常数；j是惯性矩；t
l
为负载转矩；ωm是转子的机械角速度；θe是转子电角；θm是转子机械角；p是转子个数。
[0116]
电机输出转矩方程与转子角速度的关系可以表示为：
[0117][0118]
则电机旋转时定子相位绕组产生的反向电动势可以表示为：
[0119]
ea＝f(θa)λωm[0120]
eb＝f(θb)λωm[0121]
ec＝f(θc)λωm[0122]
反向电动势的波形具有周期性，为了便于波形函数的通用化，变量θ
x
可表示为：
[0123][0124]
其中，f(.)是振幅为1的梯形波函数，其波形与气隙磁场一致；λ是磁链；θ
x
是剩余的电角阶段x除以2π，且b阶段领先a阶段120
°
的相位角，a阶段领先c阶段120
°
的相位角；是阶段x的第一阶段相位角。
[0125]
可选地，在该实施例中，对于梯形波函数f(.)可作如下解释。
[0126]
梯形波函数f(.)可通过有限元分析、傅里叶变换或分段线性方法来建模。前两种建模方法仿真精度较高，但计算量较大，会显著降低仿真速度。相对而言，分段线性法计算简单，精度能满足仿真要求。因此，采用线性方法建立反向电动势分析模型。设置x＝a，初始阶段的反向电动势相位角为则因此，可以简化为θ
x
＝θemod2π，其梯形波函数如图6所示，图6是根据本公开实施例的一种梯形波函数波形图，则梯形波函数f(.)可表示为：
[0127]
f(θ
x
)＝f(θ
x
±
2nπ)
[0128]
b相绕组和c相绕组对应的梯形波函数可以表示为：
[0129]
[0130][0131][0132]
第二部分，霍尔传感器建模。
[0133]
霍尔效应传感器的安装位置影响着无刷直流电机的霍尔信号相位差与转子电角的0
°
位置，因此建模过程需要提前假设霍尔效应传感器的安装位置正确，则电机的三相霍尔效应传感器的信号波形在一个旋转电周期中的变化可用图7表示，图7是根据本公开实施例的一种旋转电周期三相霍尔效应传感器信号波形图。
[0134]
霍尔信号与θ
x
之间的关系(剩余的电角阶段x除以2π)可以用函数ha(θ
x
)、hb(θ
x
)、hc(θ
x
)表达：
[0135]
[0136][0137][0138]
第三部分，容错控制器设计。
[0139]
在至少两个霍尔效应传感器正常工作的情况下，通过重构外骨骼电源单元的霍尔信号，可实现单霍尔传感器容错控制。霍尔容错控制器设计的关键是正确识别驱动转动过程中霍尔信号故障的类型，细分的故障类型如表2所示，表2是根据本公开实施例的一种霍尔故障类型表。
[0140]
表2 霍尔故障类型表
[0141][0142]
假设直流无刷电机的电刷极为2p，通常情况下当电机正常工作时，三相霍尔传感器输出信号在每极有6次转换。因此，磁极电机2p输出的霍尔信号跃迁边数为6p，则估计的电机转速可以表示为：
[0143][0144]
其中，表示估计的转子电角速度，θ
pre
表示相邻霍尔边沿所对应的电角，t
pre
表示
相邻霍尔边沿的时间间隔。
[0145]
根据无故障霍尔的状态变化中三相霍尔信号之间的电性差异为120
°
电角，可以推断故障相位的霍尔信号可以通过延迟其他相位信号来实现信号再生。从而可推导出信号重构函数：
[0146][0147][0148][0149]
则电角估计的延迟时间的可以表示为：
[0150][0151]
也就是说，即代表电机旋转电角的预估时间间隔。
[0152]
第四部分，容错控制模拟仿真分析。
[0153]
基于上述研究内容，可利用matlab/simulink对电机的数学模型与容错策略进行仿真分析，为了更好地验证模型与容错算法的正确性与有效性，用于仿真的电机参数如表3所示，表3是根据本公开实施例的一种用于仿真的电机参数。
[0154]
表3 用于仿真的电机参数表
[0155][0156]
在容错控制器的故障检测和故障类型识别仿真中，由于霍尔容错控制器是基于霍尔信号的边缘进行的容错控制，则无论霍尔传感器是出现工作故障还是短路故障，对霍尔容错控制器而言，其故障现象是一致的。
[0157]
举例而言，以霍尔传感器短路故障为例，在模拟开始后的1.5s分别设定霍尔相位a、b、c出现短路故障。系统仿真时间设置为2s，如图8所示，图8是根据本公开实施例的一种霍尔故障检测与识别波形图，从图中可以看出，霍尔相位a的短路故障发生到被检测识别的时间间隔为0.03s，霍尔相位b的识别时间为0.04s，霍尔相位c的识别时间为0.01s。电机的转速与故障发生的时间会影响故障的识别时间，且识别时间是故障时间与最近的霍尔边缘时间的差值。
[0158]
举例而言，在容错控制器的故障信号重构仿真中，以霍尔相位a短路故障为例，在仿真启动后的1.5s引入霍尔相位a短路故障，仿真波形如图9所示，图9是根据本公开实施例的一种霍尔相位a故障时的霍尔信号重构波形图。从图中可以看出，从霍尔相位a的故障发生到重构输出的时间间隔为0.033s。由于单相霍尔容错控制是基于速度估计与信号延迟的，因此信号重构时间受到电机速度估计精度和电机惯量的影响。
[0159]
在空载容错仿真中，设定参考速度n
ref
＝800rpm，采样时间ts＝0.02s，比例因子k
p
＝0.08，积分时间常数ti＝0.08s。在仿真开始后1s新增恒转矩负载t
l
＝0.5nm，并且开始后1.5s设定霍尔相位a出现故障。仿真输出的转子转速、转矩、相电流与反电磁场如图10所示，图10是根据本公开实施例的一种仿真输出的速度、输出转矩、相电流和反电动势波形图。从
图中可以看出，在故障发生后的1.7s，系统恢复正常运行，其中容错调整时间为0.2s。在霍尔相位a短路故障过程中，系统的速度下降到160rpm，电机动态转矩也降到3.63nm。仿真结果表明，该霍尔容错控制器能够在一次霍尔故障的情况下快速重构电机旋转所需的位置信号，保证电力系统继续稳定运行。
[0160]
在该实施例中，针对下肢外骨骼驱动系统的直流电机设计中的电力系统霍尔装置容错控制要求，在matlab\simulink环境下建立动态系统仿真模型，并对模型的特性进行了仿真，验证模型的正确性。从仿真结果可以看出，该模型满足电机特性的要求。然后研究一种基于模型的速度估计和信号延迟的单相霍尔容错控制方法，当至少两个霍尔传感器正常工作时，根据三相霍尔信号间隔120度电角的特点，利用信号延迟和重构可实现霍尔容错控制。仿真结果从电力系统的容错控制表明，该霍尔容错控制策略可以迅速与有效地重建霍尔位置信号，可忽略单个霍尔传感器失效所导致的错误，保证电机控制系统的稳定工作，从而对执行机构的运动状态进行控制，解决了机械外骨骼在使用过程中安全性低的技术问题，实现了提高机械外骨骼在使用过程中的安全性的技术效果。
[0161]
实施例3
[0162]
本公开实施例还提供了一种机械外骨骼的驱动装置。需要说明的是，该实施例的装置可以用于执行本公开实施例2中的机械外骨骼的驱动方法。
[0163]
图11是根据本公开实施例的一种机械外骨骼的驱动装置的示意图。如图11所示，该机械外骨骼的驱动装置1100可以包括：第一控制单元1101、生成单元1102、第二控制单元1103。
[0164]
第一控制单元1101，用于基于执行机构的当前位置信息，控制目标电机生成驱动信号；
[0165]
生成单元1102，用于基于驱动信号为液压阀生成液压信号；
[0166]
第二控制单元1103，用于基于液压信号控制液压阀对执行机构的运动状态进行控制，以将执行机构的位置信息由当前位置信息调整至目标位置信息，其中，执行机构的位置信息用于控制机械外骨骼的关节进行运动。
[0167]
可选地，生成单元1102包括：生成模块，用于基于驱动信号驱动液压泵为液压阀生成液压信号。
[0168]
可选地，第二控制单元1103包括，第二控制模块，用于基于液压信号控制执行机构运动的目标速度和目标力矩，其中，目标速度与目标力矩成反比关系。
[0169]
可选地，第二控制模块，还用于基于梯形波函数确定目标电机旋转时的定子相绕组的反向电动势，其中，梯形波函数的波形与目标电机的气隙磁场波形一致；基于反向电动势确定目标电机的定子相位绕组电压；控制目标电机生成驱动信号，包括：基于定子相位绕组电压控制目标电机生成驱动信号。
[0170]
可选地，第二控制模块，还用于基于梯形波函数确定目标电机旋转时的定子相绕组的反向电动势，包括：基于梯形波函数、目标电机的磁链和目标电机的转子的角速度，确定反向电动势。
[0171]
可选地，基于目标电机的电磁转矩确定梯形波函数。
[0172]
可选地，基于反向电动势确定目标电机的定子相位绕组电压，包括：基于目标电机的定子相绕组电阻、定子相绕组电流和反向电动势，确定定子相位绕组电压。
[0173]
可选地，基于梯形波形函数的目标变量确定目标电机的三相霍尔信号，其中，目标变量由目标电机的目标相位角确定，三相霍尔信号为目标电机的三相霍尔效应传感器的信号。
[0174]
可选地，确定三相霍尔信号中存在相位异常的第一霍尔信号，则对三相霍尔信号中相位正常的第二霍尔信号的相位进行延迟，得到第三霍尔信号；基于第三霍尔信号对第一霍尔信号进行重构。
[0175]
可选地，对三相霍尔信号中相位正常的第二霍尔信号的相位进行延迟，得到第三霍尔信号，包括：对第二霍尔信号的相位延迟目标电角，得到第三霍尔信号，其中，目标电角用于表示三相霍尔信号之间的差异角。
[0176]
在该实施例的机械外骨骼的驱动装置中，首先根据执行机构的当前位置信息，生成驱动信号，然后基于该驱动信号生成液压信号，从而对执行机构的运动状态进行控制，进而将执行机构由当前位置调整至目标位置，解决了机械外骨骼在使用过程中安全性低的技术问题，实现了提高机械外骨骼在使用过程中的安全性的技术效果。
[0177]
实施例4
[0178]
根据本公开实施例，还提供了一种计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在程序被处理器运行时控制计算机可读存储介质所在设备执行本公开实施例的绳索的控制方法。
[0179]
实施例5
[0180]
根据本公开实施例，还提供了一种处理器，该处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行本公开实施例的绳索的控制方法。
[0181]
上述本公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0182]
在本公开的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0183]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模型的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0184]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0185]
另外，在本公开各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0186]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机
设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0187]
以上所述仅是本公开的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本公开的保护范围。

技术特征：
1.一种机械外骨骼的驱动方法，其特征在于，包括：基于执行机构的当前位置信息，控制目标电机生成驱动信号；基于所述驱动信号为液压阀生成液压信号；基于所述液压信号控制所述液压阀对执行机构的运动状态进行控制，以将所述执行机构的位置信息由所述当前位置信息调整至目标位置信息，其中，所述执行机构的位置信息用于控制机械外骨骼的关节进行运动。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述驱动信号为液压阀生成液压信号，包括：基于所述驱动信号驱动液压泵为所述液压阀生成液压信号。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述液压信号控制所述液压阀对执行机构的运动状态进行控制，包括：基于所述液压信号控制所述执行机构运动的目标速度和目标力矩，其中，所述目标速度与所述目标力矩成反比关系。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于梯形波函数确定所述目标电机旋转时的定子相绕组的反向电动势，其中，所述梯形波函数的波形与所述目标电机的气隙磁场波形一致；基于所述反向电动势确定所述目标电机的定子相位绕组电压；控制目标电机生成驱动信号，包括：基于所述定子相位绕组电压控制所述目标电机生成所述驱动信号。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于梯形波函数确定所述目标电机旋转时的定子相绕组的反向电动势，包括：基于所述梯形波函数、所述目标电机的磁链和所述目标电机的转子的角速度，确定所述反向电动势。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于所述目标电机的电磁转矩确定所述梯形波函数。7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述反向电动势确定所述目标电机的定子相位绕组电压，包括：基于所述目标电机的定子相绕组电阻、定子相绕组电流和所述反向电动势，确定所述定子相位绕组电压。8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述梯形波形函数的目标变量确定所述目标电机的三相霍尔信号，其中，所述目标变量由所述目标电机的目标相位角确定，所述三相霍尔信号为所述目标电机的三相霍尔效应传感器的信号。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：确定所述三相霍尔信号中存在相位异常的第一霍尔信号，则对所述三相霍尔信号中相位正常的第二霍尔信号的相位进行延迟，得到第三霍尔信号；基于所述第三霍尔信号对所述第一霍尔信号进行重构。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，对所述三相霍尔信号中相位正常的第二霍尔信号的相位进行延迟，得到第三霍尔信号，包括：
对所述第二霍尔信号的相位延迟目标电角，得到所述第三霍尔信号，其中，所述目标电角用于表示所述三相霍尔信号之间的差异角。11.一种机械外骨骼的驱动装置，其特征在于，包括：第一控制单元，用于基于执行机构的当前位置信息，控制目标电机生成驱动信号；生成单元，用于基于所述驱动信号为液压阀生成液压信号；第二控制单元，用于基于所述液压信号控制所述液压阀对执行机构的运动状态进行控制，以将所述执行机构的位置信息由所述当前位置信息调整至目标位置信息，其中，所述执行机构的位置信息用于控制机械外骨骼的关节进行运动。12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序被处理器运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行权利要求1-10中任意一项所述的方法。13.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1-10中任意一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种机械外骨骼的驱动方法、装置、存储介质和处理器。其中，该方法包括：基于执行机构的当前位置信息，控制目标电机生成驱动信号；基于驱动信号为液压阀生成液压信号；基于液压信号控制液压阀对执行机构的运动状态进行控制，以将执行机构的位置信息由当前位置信息调整至目标位置信息，其中，执行机构的位置信息用于控制机械外骨骼的关节进行运动。本公开解决了机械外骨骼在使用过程中安全性低的技术问题。性低的技术问题。性低的技术问题。


技术研发人员：尹鹏
受保护的技术使用者：广州视睿电子科技有限公司
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2023/7/13