[发明专利]具有人体运动检测功能的外骨骼机器人系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种外骨骼机器人系统及控制方法。

背景技术

负重外骨骼能够帮助人体承受负载并增强承受大负载的耐久力，在军用和民用方面均 有广阔的市场前景。能够帮助士兵背负武器装备长途行军或作战，还可以辅助穿戴者在山 地等复杂环境背负或运送货物，以及提高重体力劳动者的日常作业能力。对于身体健康的 穿戴者，外骨骼必须能够快速准确的判断出人体的运动意图，进而进行跟随，才能在不增 加人机干涉力的前提下，实现良好的助力效果。人体的运动具有多样性、随机性的特点。 传统的外骨骼助力机器人往往针对平地行走这一典型步态，基于脚底压力信息或大小腿捆 绑检测，来判断人体的运动意图，控制方法的实用性和实时性较差。如申请号201310686549.6 的中国发明专利申请提出一种便携储能式外骨骼助力机器人，该机器人虽然能提供动力协 助人的行走，增强人的行走能力和速度，提高了人体的负重能力，缓解了疲劳，但是不能 正确判断人体运动意图的需求，不能使外骨骼机器人和人体之间保持运动的协调，且在坎 坷崎岖的复杂路面难以实现良好的助力效果。

发明内容

本发明是为解决现有的外骨骼助力机器人往往针对平地行走这一典型步态，适用性差， 以及不能正确判断人体运动意图的需求，不能使外骨骼机器人和人体之间保持运动的协调， 复杂路面难以实现良好的助力效果的问题，进而提供一种具有人体运动检测功能的外骨骼 机器人系统及控制方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

本发明的具有人体运动检测功能的外骨骼机器人系统包括上体背部、左腿和右腿，左 腿和右腿分别包括上体背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、大腿驱动 系统和小腿穿戴系统；上体背部包括背部支架；每个大腿驱动系统包括膝关节齿轮箱体； 每个小腿穿戴系统包括鞋底；

上体背部还包括肩带，每个大腿驱动系统还包括大腿捆绑带，每个小腿穿戴系统还包 括脚部捆绑带、上胶垫、下胶垫、脚后跟板，所述外骨骼机器人系统还包括传感检测控制 系统；

所述传感检测控制系统包括工控计算机、后背薄膜压力传感器、两个脚后跟薄膜压力 传感器、两个接触力传感装置、两个肩带拉力传感装置和三个脚底薄膜压力传感器；

每个接触力传感装置包括本体、两个立板和四个应变片，本体呈[形，本体的相对的 两个侧臂上各安装有一个立板，且本体与两个立板一体制成，本体的相对的每个侧臂和立 板之间布置有与本体连接的两个应变片，四个应变片构成一个全桥电路，本体的主臂外侧 面连接有大腿捆绑带，两个立板插装在膝关节齿轮箱体上；

肩带的上部横向安装有两个肩带拉力传感装置，每个肩带拉力传感装置包括两个连接 件、两个插装件和两个薄膜压力传感器，两个连接件之间布置有两个插装件，两个插装件 插装在一起，两个插装件之间的一个插装件上安装有两个薄膜压力传感器，其中一个插装 件与其远离的连接件连接，剩余一个插装件与另一个连接件连接，其中一个连接件与肩带 连接，剩余一个连接件与背部支架连接；

背部支架的背面上安装有后背薄膜压力传感器，每个脚部捆绑带连接在相对应的鞋底 上，每个鞋底的后端安装有脚后跟板，脚后跟板内嵌装有两个脚后跟薄膜压力传感器，两 个脚后跟薄膜压力传感器构成半桥电路，鞋底的上表面固接有下胶垫，下胶垫上的前脚掌 段、脚中段和脚后跟段分别布置有脚底薄膜压力传感器，上胶垫覆盖在三个脚底薄膜压力 传感器上；

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，工控计算机实现传 感检测系统的多种传感信息采集和关节驱动电机的通信及控制。

本发明的具有人体运动检测功能的外骨骼机器人系统的控制方法是按照以下步骤进行 的：

步骤一、单腿支撑和单腿摆动的控制，设F1为支撑腿对后背的作用力，F2为接触力检 测装置检测的摆动腿的作用力，F3为脚后跟薄膜压力传感器对小腿的作用力，F4为摆动腿 的脚底支撑力，F5为接触力检测装置检测的支撑腿的作用力，F_1-o为肩带的捆绑作用后背 薄膜压力传感器产生的初始预紧力，控制支撑腿膝关节转角θ_zk使F₅回归零；