一种外骨骼机器人系统及基于运动学末端检测的控制方法，它涉及一种外骨骼机器人系统及控制方法，以解决传统肌电信号检测方法实现辅助提高人体行走，难以达到准确的控制效果，在辅助人体行走过程中抵抗自身的重力方面，人机交互性能差，没有行之有效的控制方法的问题。它包括上体后背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、膝部驱动系统、脚部穿戴系统和捆绑装置；它还包括鞋垫板、后背检测壳体、九轴航姿测量模块、工控计算机、两个薄膜压力传感器、两个第一角度传感器、两个第二角度传感器、两个三轴倾角传感器和三套三维接触力检测装置；本发明专利技术用于助力行走和人体运动姿态的检测控制。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，它涉及一种外骨骼机器人系统及控制方法，以解决传统肌电信号检测方法实现辅助提高人体行走，难以达到准确的控制效果，在辅助人体行走过程中抵抗自身的重力方面，人机交互性能差，没有行之有效的控制方法的问题。它包括上体后背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、膝部驱动系统、脚部穿戴系统和捆绑装置；它还包括鞋垫板、后背检测壳体、九轴航姿测量模块、工控计算机、两个薄膜压力传感器、两个第一角度传感器、两个第二角度传感器、两个三轴倾角传感器和三套三维接触力检测装置；本专利技术用于助力行走和人体运动姿态的检测控制。【专利说明】
本专利技术涉及一种外骨骼机器人系统及控制方法。
技术介绍
可穿戴式外骨骼逐渐成为机器人领域的一个研究热点。可以帮助人体负重，增强运动的能力。在背负重物行走方面，目前外骨骼研究领域已有多种控制方法可以实现该功能。但在辅助人体行走过程中抵抗自身的重力方面，尚无行之有效的控制方法。然而，后者对于辅助老人行走应用中，具有重要的意义。随着人口老龄化的发展，越来越多的老年人面临日常生活，行动的困难。肌肉力量的衰退使其难以像健康人一样健步如飞。因此，需要一种外骨骼控制技术，使老人穿戴后，可以帮助老人承受自身的体重，从而使下肢关节在行走中所需的肌肉力成比例减小。 传统的做法是通过肌电信号检测，在下肢关节动作之前，判断出人体的运动意图，从而对关节提供适当的辅助扭矩，来帮助人体行走。然而肌电信号的检测难以达到精确的控制需求，人体的皮肤表面肌电信号强弱因人而异，受多种因素的影响，如人体的胖瘦，皮肤的粗糙度，运动过程中有无汗液等。因此，肌电信号控制方法在实际使用中，难以达到准确的控制效果，也不便于日常生活中的使用，申请号为201310688125.3的专利技术专利申请提出一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人，通过外骨骼来分担人体的部分重力，但是该机器人在辅助人体行走过程中抵抗自身的重力方面，人机交互性能差，没有行之有效的控制方法。
技术实现思路
本专利技术是为解决传统肌电信号检测方法实现辅助提高人体行走，难以达到准确的控制效果，在辅助人体行走过程中抵抗自身的重力方面，人机交互性能差，没有行之有效的控制方法的问题，进而提供。 本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是: 本专利技术的一种外骨骼机器人系统包括上体后背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、膝部驱动系统、脚部穿戴系统和捆绑装置；上体后背部包括人体后背支架和负载安装板，人体后背支架安装在负载安装板上，髋部驱动系统包括外壳，膝部驱动系统包括小腿连接板，脚部穿戴系统包括U形连接板、脚部橡胶鞋底和两个立式支耳，U形连接板的中部与小腿连接板的下端铰接，U形连接板的两端分别与两个立式支耳转动连接； 它还包括鞋垫板、后背检测壳体、九轴航姿测量模块、工控计算机、两个薄膜压力传感器、两个第一角度传感器、两个第二角度传感器、两个三轴倾角传感器和三套三维接触力检测装置； 每个脚部穿戴系统的U形连接板与小腿连接板连接的转轴上安装有第二角度传感器，每个脚部穿戴系统的U形连接板与立式支耳连接的转轴上安装有第一角度传感器，两个外壳的端部各安装有三轴倾角传感器，两个捆绑装置上各安装有薄膜压力传感器； 三个三维接触力检测装置分别布置在人体后背板支架和相应的底板上； 每套三维接触力检测装置包括水平力传递板、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、弹性体和两个槽形支撑板； 所述弹性体包括本体、第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第一弹性板、第二弹性板、第三弹性板和六个应变片；本体的中部加工有纵向设置的第三悬臂梁，第三悬臂梁的两侧的本体上各固装有纵向设置的第三弹性板，本体的两侧分别固装有第一悬臂梁和第二悬臂梁，第一悬臂梁的下部固装有第一弹性板且二者连接为一体，第二悬臂梁的下部固装有第二弹性板且二者连接为一体，第一悬臂梁的两侧面各粘贴有一个应变片，第二悬臂梁的两侧面各粘贴有一个应变片，第三悬臂梁的两侧面各粘贴有一个应变片； 每套三维接触力检测装置中的弹性体布置在底板上，底板与脚部橡胶鞋底或后背检测壳体连接，脚部穿戴系统中的两个立式支耳竖直设置在底板的两侧边上； 第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆水平且平行布置；第一连杆与第二连杆铰接，第二连杆与其中一个槽形支撑板铰接，第一悬臂梁插装在其中一个槽形支撑板的开口内；第三连杆与第四连杆铰接，第三连杆与剩余一个槽形支撑板铰接，第二悬臂梁插装在剩余一个槽形支撑板的开口内；第二连杆转动安装在底板的前端，第四连杆转动安装在底板的后端； 后背检测壳体与负载安装板连接，后背检测壳体的背面上安装有九轴航姿测量模块；底板的前端与所述其中一个槽形支撑板连接，底板的后端与所述剩余一个槽形支撑板连接，水平力传递板与鞋垫板或人体后背支架连接，水平力传递板的表面加工有突出部，突出部插装在第三悬臂梁的端部加工的并与突出部匹配的通孔内； 工控计算机安装有外围扩展电路，包括I/O数据采集卡和CAN卡，实现多种传感信息的采集和与关节驱动电机的通信及控制。 本专利技术的一种外骨骼机器人系统的基于运动学末端检测的控制方法是按照以下步骤进行的: 步骤一:设定外骨骼机器人对人体质量的抵消程度，其中:h人体质量，kg ；g为重力加速度，m/s2，系统的控制目标为抵消的质量分数m ; 单腿支撑及单腿摆动的控制:设F3、F4和T为人体后背支架坐标系映射到右腿或左腿坐标系后的值；F3为竖直力，F4为水平力，T为扭矩；F5为支撑腿脚底支撑力垂直分力； 步骤二、控制支撑腿膝关节转角Θ 215使回归零； 步骤三、检测人体重心在竖直方向的加速度为a，m/s2,已知人体重心到后背检测支架的距离为L,控制支撑腿髋关节转角Θ zhl使T回归(hg+ha)mL ;支撑腿膝关节转角Θ zk实时叠加到支撑腿髋关节上，支撑腿髋关节转角Qzh= θ zhl+ Θ zk ； 步骤四、将摆动腿的脚底二维力检测值，经过当前摆动腿的脚底的第一角度传感器或第二角度传感器坐标系映射到外骨骼小腿坐标系上，设映射后的值设定为Fl和F2 ;根据Fl和F2的合力，并规划出摆动腿髋关节的转角Qbhl和膝关节的转角0bkl; 步骤五、将支撑腿髋关节转角Θ zh实时叠加到摆动腿髋关节转角上，摆动腿髋关节实际转角为^bh= Θ zh+ Θ bhl ; 步骤六、摆动腿膝关节实际转角Qbk= 0bkl。 本专利技术的一种外骨骼机器人系统的基于运动学末端检测的控制方法是按照以下步骤进行的: 步骤一:设定外骨骼机器人对人体质量的抵消程度，其中:h人体质量，kg ;g为重力加速度，m/s2，系统的控制目标为抵消的质量分数m ; 双腿支撑的控制:根据脚底支撑力的竖直分力Fl和F5的大小，以较大值的一侧为主支撑腿，较小值的一侧为副支撑腿，设F3、F4和T为人体后背支架坐标系映射到右腿或左腿坐标系后的值，F3为竖直力，F4为水平力，T为扭矩；SF5>F1，则此时F5对应的一侧为主支撑腿； 步骤二、控制主支撑腿膝关节转角Qzzk使回归零； 步骤三、控制主支撑腿髋关节转角Θ zzhl使T回归(hg+ha)mL ;主支撑腿膝关节转角Θ zzk实时叠加到主支撑腿髋关节上，主支撑腿髋关节本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种外骨骼机器人系统，它包括上体后背部(A)、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统(B)、膝部驱动系统(C)、脚部穿戴系统(D)和捆绑装置(G)；上体后背部(A)包括人体后背支架(2)和负载安装板(7)，人体后背支架(2)安装在负载安装板(7)上，髋部驱动系统(B)包括外壳(22)，膝部驱动系统(C)包括小腿连接板(44)，脚部穿戴系统(D)包括U形连接板(51)、脚部橡胶鞋底(58)和两个立式支耳(55‑2)，U形连接板(51)的中部与小腿连接板(44)的下端铰接，U形连接板(51)的两端分别与两个立式支耳(55‑2)转动连接；其特征在于：它还包括鞋垫板(5)、后背检测壳体(30)、九轴航姿测量模块(35)、工控计算机、两个薄膜压力传感器(38)、两个第一角度传感器(32)、两个第二角度传感器(33)、两个三轴倾角传感器(36)和三套三维接触力检测装置；每个脚部穿戴系统(D)的U形连接板(51)与小腿连接板(44)连接的转轴上安装有第二角度传感器(33)，每个脚部穿戴系统(D)的U形连接板(51)与立式支耳(55‑2)连接的转轴上安装有第一角度传感器(32)，两个外壳(22)的端部各安装有三轴倾角传感器(36)，两个捆绑装置(G)上各安装有薄膜压力传感器(38)；三个三维接触力检测装置分别布置在人体后背板支架(2)和相应的底板(55‑1)上；每套三维接触力检测装置包括水平力传递板(6)、第一连杆(11)、第二连杆(12)、第三连杆(14)、第四连杆(15)、弹性体(17)和两个槽形支撑板(10)；所述弹性体(17)包括本体(27)、第一悬臂梁(19)、第二悬臂梁(20)、第三悬臂梁(22)、第一弹性板(21)、第二弹性板(23)、第三弹性板(18)和六个应变片(25)；本体(27)的中部加工有纵向设置的第三悬臂梁(22)，第三悬臂梁(22)的两侧的本体(27)上各固装有纵向设置的第三弹性板(18)，本体(27)的两侧分别固装有第一悬臂梁(19)和第二悬臂梁(20)，第一悬臂梁(19)的下部固装有第一弹性板(21)且二者连接为一体，第二悬臂梁(20)的下部固装有第二弹性板(23)且二者连接为一体，第一悬臂梁(19)的两侧面各粘贴有一个应变片(25)，第二悬臂梁(20)的两侧面各粘贴有一个应变片(25)，第三悬臂梁(22)的两侧面各粘贴有一个应变片(25)；每套三维接触力检测装置中的弹性体(17)布置在底板(55‑1)上，底板(55‑1)与脚部橡胶鞋底(58)或后背检测壳体(30)连接，脚部穿戴系统(D)中的两个立式支耳(55‑2)竖直设置在底板(55‑1)的两侧边上；第一连杆(11)、第二连杆(12)、第三连杆(14)和第四连杆(15)水平且平行布置；第一连杆(11)与第二连杆(12)铰接，第二连杆(12)与其中一个槽形支撑板(10)铰接，第一悬臂梁(19)插装在其中一个槽形支撑板(10)的开口内；第三连杆(14)与第四连杆(15)铰接，第三连杆(14)与剩余一个槽形支撑板(10)铰接，第二悬臂梁(20)插装在剩余一个槽形支撑板(10)的开口内；第二连杆(12)转动安装在底板(55‑1)的前端，第四连杆(15)转动安装在底板(55‑1)的后端；后背检测壳体(30)与负载安装板(7)连接，后背检测壳体(30)的背面上安装有九轴航姿测量模块(35)；底板(55‑1)的前端与所述其中一个槽形支撑板(10)连接，底板(55‑1)的后端与所述剩余一个槽形支撑板(10)连接，水平力传递板(6)与鞋垫板(5)或人体后背支架(2)连接，水平力传递板(6)的表面加工有突出部，突出部插装在第三悬臂梁(22)的端部加工的并与突出部匹配的通孔(27‑1)内；工控计算机安装有外围扩展电路，包括I/O数据采集卡和CAN卡，实现多种传感信息的采集和与关节驱动电机的通信及控制。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：朱延河，赵杰，张超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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