[发明专利]助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统及其控制方法，其特征是包括传感器模块、信号采集与处理模块、步态切换运动控制模块、电机驱动模块；传感器包括：惯性测量单元、足底压力传感器和电机编码器。本发明能在满足外骨骼机器人负载重物情况下，规划各相位步态下髋关节和膝关节电机助力力矩的输出和各相位步态之间的流畅切换，达到负重外骨骼装备肢体动作的协调性和灵活性的目的。

技术领域

本发明属于机器人领域，具体的说是一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统及其控制方法。

背景技术

助力外骨骼机器人是一种穿戴方式的下肢步行仿生机械腿，它以人为中心，通过传感器采集人体运动的趋势，在助力方面给予与人相同步态方向的关节助力，协助负重情况下人走路的能力和速度；传统的助力外骨骼机器人在机械结构与人体运动的协调性及负载重物情况下运动的灵活性都存在缺陷。

中国专利公开号CN103315834B发明一种穿戴式下肢助力外骨骼，它通过仿生智能控制程序控制电机，实现穿戴式下肢助力外骨骼的行走步态，该发明用于下肢助力和下肢康复领域，但该专利并没有对一些复杂突发情况下保持行走或作出应急处理部分进行描述，因此，该装置并不能满足负重情况下步态协调控制情况。

发明内容

本发明针对现有外骨骼机器人在负重情况下肢体运动与机构运动协调性和灵活性的不足之处，提供一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统及其控制方法，以期能在满足外骨骼机器人负载重物情况下，规划各相位步态下髋关节和膝关节电机助力力矩的输出和各相位步态之间的流畅切换，达到负重外骨骼装备肢体动作的协调性和灵活性的目的。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

本发明一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统的特点是包括：传感器模块、直流伺服电机、信号采集与处理模块、步态切换运动控制模块、电机驱动模块；所述传感器包括：惯性测量单元、足底压力传感器、电机编码器；

所述惯性测量单元分别设置在穿戴者左腿大腿、左腿小腿、右腿大腿、右腿小腿和腰部，用于获得穿戴者运动时左右大小腿的角速度值和姿态角度值，包括：左腿大腿角速度值、左腿小腿角速度值、右腿大腿角速度值、右腿小腿角速度值、腰部俯仰角度值、左腿大腿俯仰角度值、左腿小腿俯仰角度值、右腿大腿俯仰角度值、右腿小腿俯仰角度值，并提供给所述信号采集与处理模块；

所述足底压力传感器设置在所述外骨骼装置的足部，并用于采集所述外骨骼装置的足部压力值，包括：左足大脚趾压力值、左足小脚趾压力值、左足脚跟压力值、右足大脚趾压力值、右足小脚趾压力值、右足脚跟压力值，并提供给所述信号采集与处理模块；

所述电机编码器设置在所述外骨骼装置的左右腿髋关节和膝关节处，并用于采集所述外骨骼装置的左右腿髋关节和膝关节的直流伺服电机编码器值，包括：左腿髋关节直流伺服电机编码器值、左腿膝关节直流伺服电机编码器值、右腿髋关节直流伺服电机编码器值、右腿膝关节直流伺服电机编码器值，并提供给所述信号采集与处理模块；由所述信号采集与处理模块通过所述左右腿髋关节和膝关节的直流伺服电机编码器值分别获得左右腿髋关节和膝关节的变化角度值，包括：外骨骼装置左腿髋关节变化角度值、外骨骼装置左腿膝关节变化角度值、外骨骼装置右腿髋关节变化角度值、外骨骼装置右腿膝关节变化角度值；

所述信号采集与处理模块将所述足部压力值、左右大小腿的角速度值和姿态角度值、左右腿髋关节和膝关节的直流伺服电机编码器值及其变化角度值分别传递给所述步态切换运动控制模块进行逻辑判断，获得逻辑判断结果，包括：负重在左右脚的分布、外骨骼装置与穿戴者身体运动契合度参数和当前左右腿所属的步态相位；再根据所述逻辑判断结果与所述左右大小腿的角速度值一起进行计算，获得左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值并传递给所述电机驱动模块；所述左右腿髋关节和膝关节的输出力矩值包括：左腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、左腿膝关节直流伺服电机输出力矩值、右腿髋关节直流伺服电机输出力矩值、右腿膝关节直流伺服电机输出力矩值；