[发明专利]一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种随动系统在机械外骨骼上的应用，属于模拟随动系统的范畴，装配在机械外骨骼关节处的位移传感器与紧贴人体的位移传感器存在位移差时，差信号被模拟比较器输出给驱动系统，驱动系统带动外骨骼关节完成转动，在该模拟随动系统的控制下机械外骨骼完成与人体相似的动作。

背景技术

机械外骨骼是一种可穿戴式的人体下肢助力系统，它的作用：通过其自身的动力系统来帮助人体完成走动甚至跑跳的动作而人体在这个过程中只需耗费极小的能量代价。机械外骨骼随动系统是利用信号采集装置(压力、位移等传感器)采集的人体动作信位移偏差信号(如走、跑、跳、蹲立等关节弯曲造成的位移信号)并利用比较控制器对采集数据处理,转换成外骨骼机器人液压驱动器的控制信号,同时采集外骨骼各机械关节、肢体的动作信号(角位移、角速度、加速度等)为反馈信号,形成闭环控制,从而使外骨骼机器人能快速精准地响应人体的动作,最大程度的实现人机动作的完全一致。按照外骨骼系统感知系统采集信号的不同类型进行分类,外骨骼机器人的跟随系统大致可分为预编程控制跟随系统、基于人体脑电信号(EEG)的外骨骼跟随系统、基于人体肌电信号(EMG)的外骨骼跟随系统和基于运动力学信号的外骨骼跟随系统4种。传统随动系统存在的缺陷：其中预编程控制方式会限制外骨骼动作模式的扩展性；人体只能按照固定的编好的程序动作；脑电信号控制方式易受到外界环境的干扰,可能会影响人脑对其他动作的控制;肌电信号控制方式中肌电传感器安装要求高,穿戴不方便而且容易脱落。而本发明专利是基于运动力学信号的随动系统，该随动系统的优势在于：控制信号采集简易且控制准确，并且由于本发明的动作驱动器采用液压驱动器，可不再担心防水问题。

发明内容

根据现有技术的不足，提供一种结构简单、轻便、控制准确的机械外骨骼动作状态的随动系统。

本发明按以下技术方案实现：

一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统，包括外骨骼踝关节控制系统，外骨骼膝关节控制系统和外骨骼髋关节系统，三个系统进行独立的控制，所述外骨骼踝关节控制系统，外骨骼膝关节控制系统和外骨骼髋关节系统均包括信号采集与反馈部分，信号处理部分和液压动力部分；所述信号采集与反馈部分包括各关节信号采集与反馈传感器和信号转换器，所述信号转换器包括AD模数转换器和DA数模转换器；所述信号处理部分包括模拟比较器，在所述模拟比较器环节还加入PID控制环节；所述液压动力部分包括双极电液伺服阀和各关节液压驱动器。

所述外骨骼踝关节控制系统包括信号采集与反馈传感器Ⅰ，所述信号采集与反馈传感器Ⅰ与AD模数转换器相连接，所述AD模数转换器与模拟比较器相连接，所述模拟比较器与DA数模转换器相连接，所述DA数模转换器与信号放大器相连接，所述信号放大器与双极电液伺服阀相连接，所述双极电液伺服阀通过调节其阀门的开度和方向来调节踝关节液压驱动器，所述踝关节液压驱动器驱使机械外骨骼踝关节动作；所述信号采集与反馈传感器Ⅰ包括踝关节压力传感器，所述踝关节压力传感器平行固定于机械外骨骼踝关节处；所述踝关节压力传感器内部有受压面相向布置的踝关节霍尼韦尔前压力传感器和踝关节霍尼韦尔后压力传感器，所述踝关节霍尼韦尔前压力传感器和踝关节霍尼韦尔后压力传感器之间放置有一个两端带有弹簧的柱销Ⅰ，所述柱销Ⅰ的中间部位从踝关节压力传感器内穿出后与踝关节绑腿带固定。

所述外骨骼膝关节控制系统包括信号采集与反馈传感器Ⅱ，所述信号采集与反馈传感器Ⅱ与AD模数转换器相连接，所述AD模数转换器与模拟比较器相连接，所述模拟比较器与DA数模转换器相连接，所述DA数模转换器与信号放大器相连接，所述信号放大器与双极电液伺服阀相连接，所述双极电液伺服阀通过调节其阀门的开度和方向来调节膝关节液压驱动器，所述膝关节液压驱动器驱使机械外骨骼膝关节动作；所述信号采集与反馈传感器Ⅱ包括膝关节主动位移传感器和膝关节随动位移传感器，所述膝关节主动位移传感器的中部与机械外骨骼膝关节柔性连接；所述膝关节随动位移传感器的两端与机械外骨骼膝关节的两端刚性连接；所述膝关节主动位移传感器的中部通过柔性连接带与机械外骨骼膝关节连接。