[发明专利]用于下肢运动训练的外骨骼机器人及其运动控制方法

权利要求书

1.一种用于下肢运动训练的外骨骼机器人，包括支撑平衡架（1）、外骨骼机械腿（2）、跑步机（3）和控制系统，其特征在于：所述支撑平衡架（1）下端与跑步机固接；所述外骨骼机械腿（2）固定于支撑平衡架（1）中部，其足底与跑步机（3）跑带接触；所述控制系统联接跑步机（1）和外骨骼机械腿（2）；使用者穿戴上外骨骼机械腿（2），通过控制系统的控制，在跑步机（3）上进行运动训练。

2.根据权利要求1所述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人，其特征在于所述的外骨骼机械腿（2）有2条，每条机械腿都包含有髋关节、膝关节和踝关节三个关节，每个关节各有1个自由度，均为转动连接；在每个关节处安装有线性驱动器（4）和角度传感器（6），在线性驱动器（4）的后方安装一维拉压力传感器（5）。

3.根据权利要求1所述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人，其特征在于：所述的控制系统包括工控机（14）、数据采集卡（12）、运动控制卡（13）、人机界面（15）、串口（8）、信号处理电路（9），伺服驱动器（10）和驱动电路（11）；所述外骨骼机械腿（2）中的限位开关（7）、力传感器（5）和角度编码器（6）将信号送入信号处理电路（9），处理完后的数据通过数据采集卡（12）与工控机（14）传输；串口（8）在跑步机（3）的头部，跑步机指令和跑步机速度通过串口（8）与工控机（14）进行传输；线性驱动器（4）的伺服控制量和电机编码器信号通过伺服驱动器（10）和驱动电路（11）与运动控制卡（13）连接，然后将运动控制卡（13）产生的信号与工控机（14）连通；人机界面（15）在工控机（14）上显示。

4.一种用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，采用根据权利要求1所述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人进行运动训练，其特征在于针对操作者的不同意愿，所述的下肢运动训练包括被动步行运动和主动步行运动两种工作模式。

5.根据权利要求4所述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，其特征在于，控制步骤如下：当工控机（14）根据通过VC编程实现的控制程序发出指令信号，并经运动控制卡（13）输出伺服控制量到驱动电路（11）中，伺服驱动器（10）即可接收到指令，控制线性驱动器（4）实现机械腿带动操作者步行运动的功能；与此同时工控机（14）通过串口（8）发送指令实现跑步机的同步协调运动；工控机（14）通过数据采集卡（12）实时采集角度编码器（6）、力传感器（5）和限位开关（7）的信号，反馈到步态轨迹的控制器中，实现不同模式下的轨迹控制，并将当前的步行速度、周期、训练时间、关节角度和人机交互作用力信息显示在人机界面（15）上。

6.根据权利要求4所述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，其特征在于被动步行运动模式下，操作者在外骨骼式机械腿的完全带动下，在跑步机上以标准的生理学步态轨迹行走或完成特定的运动，并实时检测步行过程中各关节的角度、角速度作为反馈信号，采用基于PD反馈的位置伺服控制方法，驱动机械腿带动操作者实现步行运动。

7.根据权利要求4所述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，其特征在于主动步行运动模式下，成为一个典型的双闭环控制系统模型，内环为基于PD反馈的位置控制环，外环为基于位置的阻抗控制力环；在步行运动过程中，利用关节驱动器后安装的拉压力传感器实时采集在操作者下肢主动作用力下所产生的各关节驱动力，进而结合机器人的逆动力学模型计算提取出各关节人机交互作用力矩，从而获得操作者的下肢运动意图；利用阻抗控制器将各关节人机交互力矩转化为相应的步态轨迹的位置、速度和加速度修正量，产生操作者期望的步态轨迹；进而生成操作者期望的轨迹，并输入到机器人关节内环位置控制器中，控制各关节的伺服电机实现期望的轨迹输出，从而驱动机器人根据操作者的主动运动意图不断地调整步行轨迹，间接实现机器人提供行走辅助力、阻抗力的目的，增强操作者主动性。