[发明专利]一种行走辅助柔性外骨骼及其控制方法

说明书

本发明公开了一种行走辅助柔性外骨骼及其控制方法，柔性外骨骼主要由控制系统、检测系统、气动柔性执行系统以及气管组件组成。控制系统对检测系统采集到的用户运动信息和柔性助力执行系统压力信息进行分析，基于步态估算模型，实现下肢运动意图的识别与理解；基于髋关节力矩模型计算得到气动力开关、压力和流速等相应指令，执行相应动作，对气动柔性执行系统负压输入和卸载过程进行实时控制，气动柔性执行系统将控制系统提供的气压能实时转化为能够实现直线运动的机械能，按照用户的行走姿态实时为髋关节提供屈曲和伸展所需的辅助力矩，实现辅助行走的目的。

技术领域

本发明属于柔性外骨骼机器人、下肢外骨骼以及柔性执行器技术领域，特别涉及一种行走辅助柔性外骨骼及其控制方法。

背景技术

用工程科学方法修复和增强人体运动能力，是机器人学等交叉学科基础科研的重要科学目标之一，机器人外骨骼是开展这一科学研究的载体。机器人外骨骼是一种并联穿戴于人体外部的装置，一般由电机、液压或气压驱动，通过检测系统实时检测肢体运动状态与人体运动意图，通过驱动系统与控制系统实现人-机协同助力，达到增强肢体力量或辅助人体运动的目标，如日本筑波大学山海嘉之(Yoshiyuki Sanki)教授和他的研究小组共同研究的HAL系列混合助力腿机器人外骨骼、以色列的埃尔格医学技术公司研发的下肢外骨骼机器人Rewalk，美国berkely Bionics公司研发的第二代军用外骨骼ExoHiker,ExoClimber以及第三代军用外骨骼HULC，美国雷神公司研制得基于旋转液压执行器驱动的负重外骨骼XOS-2等。上述几种典型的外骨骼机器人主要采用电机和液压驱动或者二者混合驱动的方式，助力明显，但也存在部件多，自重大、能耗高等缺点，并且铠甲式的外形很难得到普通用户的心里认同，穿戴也不方便。

为了减轻外骨骼执行端的重量，并使关节的运动具有一定灵活性，一些学者研制了以气动肌肉作为执行器的外骨骼机器人下肢外骨骼。例如Sasaki团队采用气动人工肌肉研发了类似裤子的下肢助力外骨骼，具有轻便灵活的特点，Y.L.Park团队采用扁平气动人工肌肉研发的辅助髋关节运动的柔性可穿戴机器人外骨骼，为髋关节提供力矩。上述气动人工肌肉都是充气型人工肌肉，具有较高的功率密度比、功率体积比等优点，但有以下缺点。首先，非弹性变形过程中将会产生迟滞现象，难以精确控制。其次，气动人工肌肉通常都具有较高的“阈值”，当气压小于“阈值”时，人工肌肉无法执行相应的运动。再次，在气动人工肌肉反复使用过程中，较高的工作压力容易造成气动肌肉局部破损甚至爆炸。目前充气型气动肌肉充气变形后会使径向体积变大，不适合对空间受限的场合。除此之外，目前大部分气动人工肌肉都是在充气后实现直线运动，即充气后伸长或者缩短，使外骨骼的体积显著增大。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种行走辅助柔性外骨骼及其控制方法。柔性外骨骼主要由控制系统、检测系统、气动柔性执行系统以及气管组件组成。控制系统对检测系统采集到的用户运动信息和气动柔性执行系统压力信息进行分析，基于步态估算模型和髋关节力矩模型等控制算法计算得到气动力开关、压力和流速等相应指令，执行相应动作，对气动柔性执行系统负压输入和卸载过程进行实时控制，气动柔性执行系统将控制系统提供的气压能转化为能够实现直线运动的机械能，根据行走模式，按照用户的行走姿态实时为髋关节提供所需要的辅助力矩，实现助行的目的。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种行走辅助柔性外骨骼及其控制方法，包括：

控制系统，包括气压输出模块、控制模块和固定模块，用于所述柔性外骨骼控制系统安装固定、电子数据接收、处理、指令发送以及气压输出控制；

气动柔性执行系统，是行走辅助的执行部件，包括穿戴模块和执行模块，用于将所述柔性外骨骼穿戴在用户腰部和膝关节上方，并将控制系统提供的压力能转化为能够实现直线运动的机械能，提供辅助左、右腿大腿摆动的助力，辅助行走。

检测系统，包括气压检测模块和运动检测模块，运动检测模块实时检测用户双腿大腿的运动状态，气压检测模块实时采集所述气动柔性执行系统的压力信息，然后实时反馈给所述控制系统；