[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于下肢运动训练的外骨骼机器人及其运动控制方法。主要用于人体下肢运动信息检测及下肢运动助力的外骨骼机器人装置。

背景技术

随着科学技术的进步、生活水平的提高和生活节奏的日益加快，人们在享受着各种高科技工具所带来的便利的同时，忽视了体育锻炼的必要性，越来越多的年轻人的身体体质在不断地下降。另一方面，我国和世界上许多国家一样，正在步入老龄化社会，行动不便的老年人占据的比重也越来越大。因此，非常有必要去研究开发一种提高人体肢体运动机能的助力装置，帮助人们进行下肢运动训练，增强身体体质，。

下肢外骨骼机器人是类似人体外骨骼一样的装置,它能被操作者穿在身上，带动人体髋关节、膝关节和踝关节进行和人体行走保持一致的运动，这种行走助力机构不但有简单的机械助力功能，而且能帮助使用者维持行走平衡。

目前国内外许多研究人员在开展下肢外骨骼机器人的研究工作，但这些外骨骼机械腿训练动作种类比较少，动作范围具有局限性，运动幅度较小，多数忽略了操作者下肢的主动运动意图，缺乏运动信息的实时反馈，在操作的稳定性、安全性和真实感上有待改进。 

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种用于下肢运动训练的外骨骼机器人及其运动控制方法，提高人体肢体运动能力，并引入操作者主动运动意图，增强了操作者的主动参与性，更加完整、更加真实地实现了下肢助力步行运动。

为达到上述目的，本发明的研究和构思如下：用于提高人体肢体运动能力的下肢外骨骼机器人包括支撑平衡架、外骨骼机械腿、跑步机和控制系统四部分组成。支撑平衡架下端与跑步机固接，外骨骼机械腿固定于支撑平衡架中部，其足底与跑步机跑带接触，使用者穿戴上外骨骼机械腿，通过控制系统的控制，在跑步机上进行运动训练。

外骨骼机械腿由2条外骨骼式机械腿构成，每条机械腿有3个转动自由度，髋关节、膝关节、踝关节各有1个自由度，均为转动连接，可以模拟人在步行时矢状面内的三关节的转动，实现三自由度的运动。在每个关节处安装有驱动机械腿的线性驱动器和测量关节旋转角度角度传感器，在线性驱动器的后方安装一维拉压力传感器，用于检测驱动器提供的驱动力。

针对操作者的不同意愿，这种用于提高人体肢体运动能力的下肢外骨骼机器人的控制方法实施被动步行运动和主动步行运动两种工作模式：

被动步行运动模式下，控制机器人抑制操作者所有的异常运动，带动操作者完成特定的运动或以正确的生理学步态轨迹运动，操作者不需要自己用力，完全被动跟随机器人做步行运动；

主动步行运动模式下，机器人抑制操作者有限的异常运动，通过实时检测运动过程中操作者作用于机器人所产生的关节驱动力，进而采用逆动力学模型提取人机交互作用力矩来判断操作者下肢的主动运动意图，并利用阻抗控制器将交互力矩转化为步态轨迹的修正量，直接修正或通过自适应控制器产生操作者期望的步态轨迹，间接实现机器人提供步行辅助力、阻抗力的目的，增强操作者主动性。

本发明的构思是：采用下肢外骨骼机器人提高人体下肢运动能力。根据人体对于辅助行走的需要，分成机械腿提供所有辅助力的被动步行运动模式和提供部分辅助力的主动步行运动模式。被动模式下，机械腿提供人体步行所需要的全部力量和负重能力，带动操作者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，此时采用基于PD反馈的位置伺服控制方法，有效实现步态轨迹的跟踪控制。在主动步行运动模式下，考虑到了操作者的主动性，通过力传感器检测并提取出人机交互作用力矩，建立人机交互作用力矩和偏离预定关节轨迹偏差的阻抗控制模型，实现主动训练模式下的阻抗控制。而阻抗控制始终基于一个固定的参考轨迹，只能在这一轨迹基础上产生偏差，很难适应不同个体步态轨迹的调整；因为对于部分人群，比如部分或完全丧失行走能力老年人，可能由于下肢肌痉挛、肌肉紧张等引起的肌肉力量的不协调性，将使得人机交互作用力矩的变化过大或过小，经阻抗控制模型计算的轨迹偏差亦偏大或偏小，修正后的步态轨迹将不完全符合生理学规律，势必影响行走的舒适性，甚至可能引起对身体的危害。因此提出步态轨迹自适应控制算法，从总体效果上考虑操作者主动参与的意图。

用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，其特征在于针对人体不同的需要，将步行运动分为被动和主动模式，且在主动步行模式下可根据操作者的类型，选择阻抗控制或自适应控制方法，具体实施过程如下：