[发明专利]应用在微重力环境下的步行辅助装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及辅助人类行走的装置，尤其涉及在微重力环境下的辅助行走装置的技术领域。

背景技术

零力矩点(ZERO-MOMENT POINT简称ZMP)和压力中心点(Center ofPressure简称COP)是人体步行生物力学和步行机器人的两个重要概念。ZMP点是重力，惯性力及地面反力三者的合力矢的延线与地面的交点。COP是支撑脚与地面接触面内的一点，该点为地面反力的作用点。当ZMP点和COP点重合时，人或机器人可以稳定的行走。研究人员通过对人类正常步行的测量，发现了步态和足底COP轨迹之间具有一定的联系：当步行处于单支撑阶段时，COP的移动呈现一个明显的从脚跟部移动到脚前部的轨迹，同时伴随着支撑腿踝部的向前弯曲，髋部的向后弯曲，摆动腿髋部的向前摆动。同样在双支撑阶段，也存在着双足的COP移动规律和与之对应的腿部各关节的运动规律。在此规律上，基于ZMP和COP的步行控制方法也在机器人上得到了应用。即利用预先设计好的ZMP/COP轨迹，规划出机器人的各关节的运动，实现机器人步行。

人体一个步行周期内脚底支撑点的大致变化情况为：首先在步行起始阶段，当人体处于站立状态时，两只脚的前后支点都是支撑点。摆动腿开始摆动时，摆动腿脚底的两支点脱离地面，经过一段时间的摆动，摆动腿脚底的后支点触地，完成起步过程，进入稳定步行阶段。以两只脚都开始着地作为一个稳定步行周期的开始。稳定步行阶段包括后方腿蹬地和前方腿支撑两个部分。刚开始，后方腿的后支点开始离开地面，前支点与地面保持接触。前方腿的两个支点均与地面接触，但后支点是主要工作点。然后，存在一个短暂的蹬地过程，在此过程中，后方腿的前支点与地面保持接触，通过脚踝的力矩产生蹬地的作用。前方腿的后支点在蹬地过程中一直充当支撑点的作用。蹬地过程结束后，后方腿脱离地面，进入摆动阶段。前方腿的后支点继续作为支点，实现人体的自然摆动。在一定的形位，通常是人体的重心处于支撑脚的中点时，通过旋转支撑脚使后支点脱离地面，前支点成为人体摆动的支点，一直到摆动腿着地，进入新的步行周期，重复前面的过程。

在微重力环境中，人处于失重状态，漂浮在空中，不能像在地球上一样正常的行走，甚至有些人回到地球上走路会感觉不适应。

发明内容

本发明目的是提供一种在微重力环境下利用步态和COP的关系，通过人体的关节动作，控制脚底和地面的接触点，使人体可以借助于接触点产生正压力和摩擦力，从而实现类似于重力环境中步行的应用在微重力环境下的步行辅助装置及其工作方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

应用在微重力环境下的步行辅助装置，包括助行鞋，每只助行鞋上分别设置两组吸附控制单元、两组与吸附控制单元相对应的接触传感器，两组吸附控制单元分别形成助行鞋的前支点和后支点；两组吸附控制单元与两组接触传感器分别与步行控制器连接；还包括与吸附单元相匹配的助行通道。

基于应用在微重力环境下的步行辅助装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步：人体处于直立姿势时，双脚都与地面接触，此时每只助行鞋上的接触传感器都有压力存在；

第二步：人体开始行走时，其中一只脚通过强制力摆脱这只脚上的吸附单元与助行通道之间的吸附力，形成摆动腿，实现稳定起步；

第三步：稳定行走时，第二步的摆动腿的后支点触地时，位于后支点的接触传感器发出信号给步行控制器，此时步行控制器控制摆动腿后支点的吸附单元吸附助行通道；且控制支撑腿上的前支点和后支点的吸附单元脱离助行通道；实现两腿之间的切换；

第四步：第三步中的支撑腿变为了摆动腿，第三步中的摆动腿变为了支撑腿，完成了一个周期；重复上述周期，使得人在助行通道上行走起来；

第五步：当人体需要停下来时，按动步行控制器上的复位键，此时两只脚上的四个吸附单元都吸附在助行通道上，需要行走时，重复上述步骤。