[发明专利]一种可穿戴式单源仿生动力膝关节系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种可穿戴式单源仿生动力膝关节系统及其控制方法。本发明采用大腿力传感器和小腿力传感器采集使用者与仿生动力膝关节之间的交互力，大腿角度传感器和小腿角度传感器采集仿生动力膝关节的位置信息，分别传输至智能控制单元；根据交互力信息和位置信息，并通过雅可比变换，生成期望跟踪速度，再通过比例积分微分PID控制，得到电机的输入电流命令，传送给电机，电机通过大腿传动连杆和小腿传动连杆控制仿生动力膝关节仿生动力膝关节运动，从而对仿生动力膝关节反馈控制，实现仿生动力膝关节能够根据使用者的运动意图快速、灵活、平滑跟从使用者的膝关节运动，对使用者实时提供辅助力支持。

技术领域

本发明涉及康复及智能仿生机器人领域，具体涉及一种可穿戴式单源仿生动力膝关节系统及其控制方法。

背景技术

由于年龄增长、肌肉损伤、神经损伤、残障等原因，有很大一部分人的膝关节存在运动功能障碍。为了恢复他们的运动能力，促进膝关节的健康恢复，可以使用动力膝关节装置(也称为外骨骼膝关节机器人、膝关节助力机器人等)，从而为受损膝关节提供动力支持。为了解决使用者膝关节肌力较弱、运动障碍等问题，帮助他们重新恢复膝关节运动能力，开发具有自主知识产权的可穿戴式仿生动力膝关节康复装置并研究相应的控制策略具有重大的现实意义。

仿生动力膝关节控制的关键问题是采取何种合适的信号、并在恰当的时刻提供合适的动力辅助。中国专利公布的“一种外骨骼机械腿康复系统站立模式控制方法”(申请号201710103758.1)采用了基于肌电的控制方法，此方法受到个体特征差异、皮毛等因素影响，同时需要在使用前进行大量的训练和建模，在日常普遍快速应用推广中较困难。人机交互力相对不容易受到个体差异的明显影响。中国专利公布的“一种可穿戴式助力外骨骼下肢机构的控制方法”(申请号201510501879.2)中采用了直接把交互力信号乘以一常数系数得到辅助装置的末端期望驱动速度，此方法没有考虑人机交互过程中的动力学特性，所需要的控制能量较大，同时所生成的期望轨迹也不够平滑，不能灵活、柔顺、舒适地跟踪并辅助使用者。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种可穿戴式单源仿生动力膝关节系统及其控制方法，既可以用在行走过程中膝关节动力辅助，也可以用于康复训练过程中。

本发明的一个目的在于提出一种可穿戴式单源仿生动力膝关节系统。

本发明的可穿戴式单源仿生动力膝关节系统包括：大腿力传感器、小腿力传感器、大腿角度传感器、小腿角度传感器、智能控制单元、电机、大腿传动连杆和小腿传动连杆；其中，大腿传动连杆和小腿传动连杆的一端分别安装在仿生动力膝关节上，大腿传动连杆和小腿传动连杆的另一端分别设置大腿连接绷带和小腿连接绷带，分别通过大腿连接绷带和小腿连接绷带将仿生动力膝关节绑缚在使用者的大腿和小腿上；在大腿连接绷带与大腿传动连杆之间设置大腿力传感器和大腿角度传感器，以及在小腿连接绷带与小腿传动连杆之间设置小腿力传感器和小腿角度传感器；大腿力传感器、小腿力传感器、大腿角度传感器和小腿角度传感器分别连接至智能控制单元；智能控制单元连接至电机；电机连接至大腿传动连杆和小腿传动连杆；大腿力传感器和小腿力传感器采集使用者与仿生动力膝关节之间的交互力，大腿角度传感器和小腿角度传感器采集仿生动力膝关节的位置信息，分别传输至智能控制单元；智能控制单元根据交互力信息和位置信息，并通过雅可比变换，生成期望跟踪速度，并根据期望跟踪速度，通过比例积分微分PID控制，得到电机的输入电流命令，传送给电机，电机通过大腿传动连杆和小腿传动连杆控制仿生动力膝关节仿生动力膝关节运动，从而对仿生动力膝关节反馈控制，实现仿生动力膝关节能够根据使用者的运动意图快速跟随使用者的膝关节运动，对使用者实时提供辅助力支持。

大腿力传感器和小腿力传感器分别采用六维力传感器。

本发明的另一个目的在于提供一种可穿戴式单源仿生动力膝关节系统的控制方法。

本发明的可穿戴式单源仿生动力膝关节系统的控制方法，包括以下步骤：