[发明专利]一种可穿戴柔性步行助力机器人控制系统及控制方法

说明书

本发明公开了一种可穿戴柔性步行助力机器人控制系统及控制方法。该系统包括电源、电机驱动器、牵引带、力传感器、纺织带、陀螺仪、驱动装置、力传感器放大器和控制器；控制器和电机驱动器放置于使用者腰部位置；两个陀螺仪通过纺织带分别放置在使用者左右大腿后部中间位置，使用者站立时陀螺仪垂直于地面；两个驱动装置左右对称安装在使用者腰部的可调节腰带上，每个驱动装置与一个牵引带的一端连接，牵引带的另一端放置在使用者膝关节上；每个牵引带均断开，断开处通过力传感器连接；控制器分别与电机驱动器、陀螺仪和力传感器放大器连接；电机驱动器与驱动装置连接；力传感器与力传感器放大器连接。该方法助力阶段在于摆动相，节省能源。

技术领域

本发明涉及机器人控制技术，具体是一种可穿戴柔性步行助力机器人控制系统及控制方法。

背景技术

随着年龄的增加，老年人体力下降、肌力衰退导致运动功能障碍，老年人变得越来越不喜欢户外活动。而随着户外活动的减少，下肢运动机能会随之下降，周而复始，恶性循环，产生许多身体问题。现在人们对生活质量的要求越来越高，老人应该提高步行能力，增加散步，既锻炼了身体，也增加了社会活动。下肢助力外骨骼技术的迅速发展可以改善老年人的下肢功能，增强其行走能力，提高运动障碍患肢的康复质量。通过在生活中的康复锻炼，可以提高步行能力，延长健康寿命，助力型下肢外骨骼是一种由受试者穿戴的，通过计算机控制、感知系统信息采集与融合、人机接口等技术，为使用者提供行走助力或负重支撑助力的人机电系统。外骨骼系统能感知人体的运动状态、识别运动意图、与使用者进行协同运动并提供实时运动辅助。目前的刚性步行辅助存在结构生硬、笨重、与人协调不好的缺点，而且可能会由于外界干扰易造成摔倒危险。同时柔性步行辅助缺少相应的优化的控制系统，以针对不同的使用者和情况进行调整。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种可穿戴柔性步行助力机器人控制系统及控制方法。

本发明解决所述系统技术问题的技术方案是，提供一种可穿戴柔性步行助力机器人控制系统，其特征在于该系统包括电源、电机驱动器、牵引带、力传感器、纺织带、陀螺仪、驱动装置、力传感器放大器和控制器；

所述控制器和电机驱动器放置于使用者腰部位置；两个陀螺仪通过纺织带分别放置在使用者左右大腿后部中间位置，使用者站立时陀螺仪垂直于地面；两个驱动装置左右对称安装在使用者腰部的可调节腰带上，每个驱动装置与一个牵引带的一端连接，牵引带的另一端放置在使用者膝关节上；每个牵引带均断开，断开处通过力传感器连接；所述控制器分别与电机驱动器、陀螺仪和力传感器放大器连接；所述电机驱动器与驱动装置连接；所述力传感器与力传感器放大器连接；电源为控制器和电机驱动器供电。

本发明解决所述方法系统问题的技术方案是，提供一种可穿戴柔性步行助力机器人的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1、安装控制系统：控制器和电机驱动器放置于使用者腰部位置；两个陀螺仪通过纺织带分别放置在使用者左右髋关节处，实时采集使用者的步态特征信息，测量人体髋关节的实时角速度信息；两个驱动装置左右对称安装在使用者腰部的可调节腰带上，每个驱动装置与一个牵引带的一端连接，牵引带的另一端放置在使用者膝关节上；每个牵引带均断开，断开处通过力传感器连接；力传感器用来测量牵引带的拉力值；控制器分别与电机驱动器、陀螺仪和力传感器放大器连接；电机驱动器与驱动装置连接；力传感器与力传感器放大器连接，力传感器放大器用来放大电压信号，并将信号传到控制器中；电源为控制器和电机驱动器供电；

步骤2、得到角速度信号并处理：陀螺仪实时采集使用者髋关节的原始角速度信号，并对原始角速度信号进行去噪处理，得到角速度信号；

步骤3、得到角度信号并处理：将步骤2得到的角速度信号在控制周期中通过控制器进行积分处理得到前进方向的原始角度信号曲线；原始角度信号曲线中存在积分的零点漂移现象，其解决方法是：开始试验时，陀螺仪先保持静止状态2-3s，找到零点，当下一时刻零点漂移时可将此时刻数值强行变为0，得到角度信号曲线；