[发明专利]下肢外骨骼机器人控制系统、方法以及下肢外骨骼机器人

说明书

本申请提供了下肢外骨骼机器人控制系统、方法以及下肢外骨骼机器人，用于向为下肢外骨骼机器人引入一运动优化机制，以用户与下肢外骨骼机器人间的人机交互力作为输入量，进行模糊自适应阻抗控制，使得下肢外骨骼机器人具备外力顺应性及柔性。系统在用户穿戴下肢外骨骼机器人并开始运动后，环境感知模块采集压力数据和姿态数据；控制模块以两者为输入量，进行模糊PID控制，并控制驱动模块调整下肢外骨骼机器人的运动状态；运动意图感知模块采集人机交互力；控制模块将人机交互力与运动数据存储模块预先存储的标准运动数据进行比对，当人机交互力超出标准运动数据的标准范围时，进行模糊自适应阻抗控制，并控制驱动模块朝着外力的方向偏移目标角度。

技术领域

本申请涉及机器人领域，具体涉及下肢外骨骼机器人控制系统、方法以及下肢外骨骼机器人。

背景技术

多自由度下肢外骨骼机器人是一种用于帮助下肢机体行动不便或者下肢完全丧失行动能力用户所设计的机器人，可以满足康复需求，帮助其恢复下肢行动，并可以自主完成行走、坐立等需要下肢参与的动作。

现在市面上已经出现了多款下肢外骨骼机器人产品，但本申请发明人发现，其不足之处也很明显和集中。

现有的下肢外骨骼机器人的控制方法，主要是基于多传感器与单片机嵌入式控制系统，但它们过于依赖针对运动环境中某些物理量，依照预设控制程序进行运动判断和步态调整，而忽略穿戴者主观的运动意愿，当运动环境发生骤变或发生突发情况，运动系统往往不能实时的做出反馈。

发明内容

本申请提供了下肢外骨骼机器人控制系统、方法以及下肢外骨骼机器人，用于向为下肢外骨骼机器人引入一运动优化机制，以用户与下肢外骨骼机器人间的人机交互力作为输入量，进行模糊自适应阻抗控制，使得下肢外骨骼机器人具备外力顺应性及柔性，达到优化运动细节的效果，如此兼顾鲁棒性和柔顺性，用户使用时更为便利。

第一方面，本申请提供了一种下肢外骨骼机器人控制系统，系统包括环境感知模块、控制模块、驱动模块、运动意图感知模块和运动数据存储模块；

在用户穿戴下肢外骨骼机器人并开始运动后，环境感知模块采集压力数据和姿态数据；

控制模块以压力数据和姿态数据两者为输入量，进行模糊PID控制，并通过对应的模糊PID控制指令控制驱动模块调整下肢外骨骼机器人的运动状态，达到初步配合用户运动的效果；

运动意图感知模块采集人机交互力；

控制模块将人机交互力与运动数据存储模块预先存储的标准运动数据进行比对，当人机交互力超出标准运动数据的标准范围时，将人机交互力作为输入量，进行模糊自适应阻抗控制，调整阻抗控制器的阻尼参数以及弹簧系数，并通过对应的模糊阻抗指令控制驱动模块朝着外力的方向偏移目标角度，使得下肢外骨骼机器人具备外力顺应性及柔性，达到优化运动细节的效果。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第一种可能的实现方式中，系统还包括运动捕捉系统，运动捕捉系统在用户运动过程中采集包括关节运动角度、角速度、角加速度和肢体运动状态的步态数据，再通过相关数据加工得到标准运动数据并储存于运动数据存储模块。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第二种可能的实现方式中，运动意图感知模块包括采用贴片式肌电传感器，分别布置于左大腿、左小腿、右大腿、右小腿的运动肌肉群位置；

运动意图感知模块还包括播模式压力传感器，分别布置于左大腿前后位置、右大腿前后位置、左小腿前后位置和右小腿前后位置。

结合本申请第一方面，在本申请第一方面第三种可能的实现方式中，环境感知模块包括两个足底压力传感器，分别布置在下肢外骨骼机器人的两脚底板位置；

环境感知模块还包括采用姿态传感器，分别布置在左右膝关节位置、左右踝关节处位置和背部中央位置。