CN101489732A - 接触位移致动系统 - Google Patents

Abstract

一种机器人位移装置，使用一种机器人框架，其被塑形为模拟人体的至少一部分并可与之耦合，并配置为模仿人体的移动。该装置利用多个附加在机器人框架上的力传感器，其探测传感器和人类操作者四肢之间的基准控制界面力状态关系。基于来自传感器的输出力信号以及重力的大小和重力与机器人框架的相对方向，计算系统算出保持该控制力状态关系所需的至少一个旋转力。之后计算系统产生并向附加在机器人框架上的驱动系统传输一个致动信号，该驱动系统将机器人框架的一部分进行位移，以保持该控制力状态关系。

Description

接触位移致动系统

相关申请

本申请要求于2006年7月17日提交的美国临时专利申请60/831,476，以及提交于2007年7月16日的其序列号未知的美国非临时申请的优先权，其全部内容通过引用的方式纳入本文用于所有目的。

发明内容

人们已经认识到，开发这样一种可穿戴的外骨骼机器人位移系统是有利的，该系统模拟人体的形状并能够通过与人类操作者的直接接触来实时并且同时移动外骨骼框架的多个肢体，而不依赖于操作者的预设的轨迹移动来映射人体的移动。

本发明提供一种机器人位移装置，使用一种机器人框架，其被塑形为模拟人体的至少一部分并可与之耦合，并配置为模仿人体的移动。所述的机器人框架在此处也称为外骨骼。为实现这种移动，该装置利用多个线性和旋转力传感器，这些传感器附加于机器人框架上靠近框架的手和足处。传感器探测传感器和人类操作者四肢之间的基准控制界面力状态关系，包括接触关系和位移的非接触关系。然后这些传感器向集成于机器人框架的计算系统输出一个力信号。基于来自传感器的输出力信号以及重力的大小和重力与机器人框架的相对方向，计算系统算出保持该控制力状态关系所需的线性力和旋转力。然后该系统产生并向连附到机器人框架上的驱动系统传输一个致动信号。然后该驱动系统将机器人框架的一部分进行位移，以保持该控制力状态关系。或者，当不需要位移而机器人框架上的负载发生变化时，该驱动系统根据保持控制力状态关系的需要，增加施于机器人框架上的线性力和旋转力。

本发明的其他特性和优点，将通过以下的详细描述并结合附图而显见，附图通过示例的方式，共同示出本发明的特性。

附图说明

图1是机器人框架、中央控制单元、力传感器和驱动系统的一个实施例的正视图，示出了进行中的图中展示的截面；

图2是图1中机器人框架、中央控制单元、力传感器和驱动系统的侧视图；

图3示出图1中沿A-A的截面，示出机器人框架足部以及相关力传感器的一个实施例；

图4是机器人框架足部的一个实施例的透视图；

图5是机器人框架足部的一个实施例的分解透视图；

图6是图1中沿B-B的截面，示出机器人框架的髋部以及相关力传感器的截面的一个实施例；

图7是图1中沿C-C的截面，示出机器人框架的肩部以及相关力传感器的截面的一个实施例；

图8是图1中沿D-D的截面，示出机器人框架的手部以及相关力传感器的截面的一个实施例；以及，

图9是示出外骨骼控制系统的一个实施例的框图。

具体实施例

现在参照图中所示的示例性实施例，并且此处使用详细的语言来描述所述实施例。然而，应当了解，并不意图由此限制本发明的范围。本领域内拥有此份说明书的技术人员容易想到的对此处所示出的创新性特性的变更和进一步修改，以及此处示出的发明原则的更多应用，被认为在本发明的范围之内。

本发明总体涉及可穿戴的机器人位移系统。更具体地，本发明涉及一种机器人框架和致动系统，其按照用户所施加其上的力，成比例地进行机械移动。

将人类和机器人集成在一个系统内提供了创立新一代的辅助技术的极大机会，该辅助技术可用于生物医学、工业、军事以及航天应用。人类组件贡献其自然和高度发达的控制算法，以实施高级的决策制定和感知机制，而机器人组件则提供例如功率、精度和速度等技术优点。

一种由人类操作者之外的能源驱动的外骨骼是一类机器人操纵器，其放大人类肌肉强度，同时保持对于操作者目标的人为控制。这种外骨骼的结合系统应该近似人体系统，并且理想地应通过一些种类的人类/外骨骼界面对人类操作者的力的大小和方向进行响应。

虽然设计研究显然开始于更早的时期，然而对于制造机动性外骨骼的实质性努力可追溯到1960年代。之前的项目得到了由液压装置和电驱动的自站立的外骨骼设计，其形成一种庞大笨重的奇异发明。那些重如汽车的机器人据称可使人能像举起一袋土豆一样举起一台冰箱。然而，如果尝试同时操作多个肢臂，则导致剧烈失控的运动。从那时起，大多数开发都集中于外骨骼组件，而不是完整的系统。

对于机器人外骨骼的研究努力中的一部分集中于开发人类/外骨骼界面，通过一种神经肌肉层次的生物端口(bioport)，使用肌电图信号作为对系统的主要命令信号进行。这类系统使用附加在腿部皮肤上的生物电学传感器来监测从大脑向肌肉传输的信号。当一个人想要站立或者行走时，从大脑传向肌肉的神经信号在皮肤表面产生一个可检测到的电流。这些电流被传感器捕获，并发送到计算机上，计算机将这些神经信号翻译为控制外骨骼的髋部和膝部处的电动机的信号。然而，当在人类操作者处于流汗、跑步、跳跃和/或躺卧等极端条件下操作时，生物电学传感器的精确度将显著下降。

其他的研究努力集中于通过人类操作者在人类/外骨骼界面直接接触的概念来控制外骨骼。多种试图实施这种概念的方案采用了轨迹跟踪方法，其依赖于动态运动方程的推导和求解。这些方程的解于是被用来确定为了映射人类操作者的移动，外骨骼所需的轨迹。高增益的、常利用适应性元件的位置控制器被用来跟随操作者的预设轨迹。轨迹跟踪方法有两种主要缺点。第一，它们计算量过大。第二，该方法对于扰动或环境变化鲁棒性不足。如果外骨骼接触到物体，或者其环境或负载发生变化，动态和轨迹必须重新计算，否则会摔倒。

总体地参照图1和图2，外骨骼框架100被塑形为模拟人体的至少一部分并可与之耦合，并配置为模仿人体的移动。为了实现这种移动，该装置利用多个力传感器，其附加于机器人框架100的手部110和足部120附近，并可操作地耦合于中央控制系统160和驱动系统150。力传感器能够探测作用于机器人框架100上的线性或者旋转力。在本发明的一个方面，力传感器的灵敏度是可调的。例如，传感器可设置为只对施加于力传感器上超过预定水平的力作出响应。

在此处所用的“界面力状态关系”(IFSR)涉及外骨骼组件相对其临近人类机体的一种优选的位置关系。在本发明的一个实施例中，例如，当不移动时，穿戴者的腕与外骨骼前臂/腕的相应部分之间可能没有强力接触。在这种情况下，当需要移动时，用户需要向外骨骼施加一个力——举起一只胳膊或向一侧推动它。该移动使得IFSR的不接触状态发生改变，变为外骨骼和用户手腕之间身体接触的状态。外骨骼将对此接触作出响应，进行适当的位移以“让开地方”。这种响应可以多次顺序重复发生，直到手腕/前臂的移动完成。此时，力状态关系再次稳定于非接触位置，移动暂停。

在另外一种实施例中，用户的脚可能踩在传感器上，产生一个给定的施加力。这个IFSR基于脚和传感器之间的实际接触。当用户举起脚时，产生一种非接触关系。于是外骨骼将作出响应，努力恢复脚和相关联的外骨骼组件之间的负载接触。因此，这种情形中，IFSR即为其中用户的脚与外骨骼强力接触的接触关系。

传感器能够探测传感器和人类操作者四肢之间的基准控制界面力状态关系。然后传感器向中央控制单元和集成在机器人框架100内的计算系统160输出一个力信号。基于传感器所输出的力信号，以及重力的大小和相对于机器人框架100的方向，计算系统160计算出一个为保持控制力状态关系所需的线性和旋转力，该关系可以是接触性或非接触性关系。该系统然后产生并向连附到机器人框架100的驱动系统150传输一个致动信号。于是驱动系统150将机器人框架100的一部分进行位移，以保持该控制力状态关系。或者，当不需要位移，而机器人框架100上的负载发生变化时，驱动系统150根据需要增加或减少机器人框架100上的线性和旋转力以保持该控制力状态关系，直到移动完成为止。

更一般地，本发明允许穿戴者进行通常无法完成的活动或其他情况下需要花费相当多时间和精力来进行的活动。该系统可由军事人员、建筑工人、警察、医务工作者或其他人员穿戴，以支持人体的功能，或修正其外形。该可穿戴框架可减少危险的或有害的任务所需的人数，并减轻执行此类任务时人员所经受的生理压力。该可穿戴框架还可以配置为针对特定应用任务，其可能涉及到暴露于辐射、气体、化学或生物试剂。该可穿戴框架还可以用于帮助肢体伤残人士来进行其他情况下无法完成的任务例如坐、立或行走。该位移装置可以作为一个功率放大器，将小的运动和力放大为受控的、大的运动和力。通过在框架的不同位置策略性地安放传感器和控制装置，只能施加很小的力的个人可以控制该框架的运动。另外，肢体伤残人士可获得自由的活动，而不必栓系在电源上。例如电源干预器的安全装置可内建于系统中，以防止框架的非故意移动和对框架穿戴人员的任何伤害。与本发明的示例性实施例相关的主题可见于美国专利No.6,957,631和No.7,066,116号，以及美国专利申请No.11/292,908，No.11/293,413，No.60/904,245，No.60/904,246，和No.11/293,726；每个专利和/或专利申请都通过引用而全部纳入本文中。

依照本发明的更具体的方面，图1示出一个系统，包含一个机器人位移装置，其使用多个连附到机器人框架100上，并布置为临近或接触人类操作者的手部110附近或者足部120附近的传感器。在另一个方面，传感器被布置为临近或接触人类操作者的髋部130附近和肩部140附近。传感器110、120、130和140能够同步地探测到人类操作者在多个轴上的多个移动方向。总体地参照图3到图8，在本发明的一个示例性实施例中，人类操作者可通过将他/她的脚放置在机器人框架100的足部101内而进入该机器人位移装置，其中操作者的脚与相应的力传感器120相接触。人类操作者的各部分也与布置在机器人框架100各处的力传感器相接触。例如，图6示出机器人框架的髋部102和相应的力传感器130。操作者52可通过腰带103或其他合适的耦合装置与框架100相耦合。如图7中所示，操作者52还通过肩带104与机器人框架100耦合。在一个方面，力传感器140附加在机器人框架100上操作者肩部区域附近。进一步地，如图8所示，操作者53的手握持一个耦合到机器人框架100上的把手105。力传感器110布置在把手105和机器人框架100之间。虽然此处参照了布置在机器人框架100的特定位置上的力传感器，但是可以理解，力传感器可以被策略性地布置在机器人框架100的多个位置上，以有利于该机器人位移装置适当的操作。

在本发明的一个方面，在测量操作者对系统施力的同时，中央控制单元160可以探测当前结合点位置、机器人框架的速度以及重力的大小和重力相对于框架位置的方向。于是响应于操作者的运动而计算出所需的结合点位置和外骨骼的速度值。然后，装置的驱动系统150，其可包含位于机器人框架100上多个位置的多个驱动机构，与操作者的移动协调运作，以移动机器人框架100。在一个示例性实施例中，驱动机构可被布置在机器人框架100的结合点106附近，并被配置为在机器人框架100的一个组件上产生线性或者旋转力，以产生所需的位移。基于操作者的移动，外骨骼框架100可在多个方向并在多个轴上位移。中央控制单元160也可以用作燃料储存装置、功率发生中心和/或信号产生/处理中心。外骨骼的实际移动可利用通过控制阀输送液压流体从而激活机器人框架100的位移来实现。虽然这里具体引用了液压流体致动系统，但是可以理解，任何能够移动外骨骼各部分的致动系统都可考虑用于此处。

在另外一个实施例中，中央控制单元160可以计算外骨骼结构100施加到人类操作者上的力，以及驱动系统150为抵消所算出的机器人框架100施加到人类操作者上的力所需的结合点旋转力。然后，驱动系统150向机器人框架100的结合部件施加算出的旋转力，以抵消机器人框架100向人类操作者所施加的力。例如，机器人框架100的操作者可能在机器人框架100的背部安放一个负载。该负载可能对机器人框架100产生一个力矩力，该力在其它情况下会把机器人框架100和人类操作者拉倒和/或向后拉。在本发明的一个实施例中，中央控制单元160被配置为抵消施加在机器人框架100上的外部力，以保持机器人框架100在直立位置。然而，可以理解，该中央控制单元160可以配置为将机器人框架100保持在任何期望位置(例如，前倾、蹲伏和/或坐着)。

在本发明的一个方面，机器人位移装置的控制单元160可以被配置为指引来自某些组的力传感器的功率或将功率指引到这样的组，组的数量少于所有的力传感器。这可以使该装置能实质上“关闭”机器人框架100的某些部分，以优化穿戴者所需的操作模式。在本发明的另外一个方面，控制系统160进一步被配置为从一个通讯装置接收远程信号，以助于从一个远程观察者处自动改变操作模式。例如，一个远程观察者可以向控制系统160发送一个控制信号，命令该机器人位移装置平躺或者自己致动(即，推翻来自力传感器的任何命令信号)，从而行动到远程观察者所指定的位置或者预定的位置。

总体地参考图1，在本发明的一个实施例中，机器人框架100的移动通过一个布置在机器人框架的结合点106附近的驱动系统150来完成，该驱动系统包含液压管线和阀以及其他物体。驱动系统150中的气缸(未显示)可以被伸展或者缩回，以调整机器人框架的相对位置。液压流体管线和驱动机构可以由一个内燃(IC)机或其他功率转换装置所施压或驱动。功率转换装置的一个实例包含发动机，其具有一个腔，腔带有一个主活塞，一个快速响应组件和一个可操作地互联到腔上的控制器。该腔还可以包含用于向其中供应流体的至少一个流体端口以及一个排放端口。主活塞与流体端口相结合，可以配置为向腔提供一个可变的压力，并至少部分地促成燃烧，以在腔的燃烧部分产生能量。主活塞可配置为在腔中往复运动。控制器可配置为控制腔中的燃烧。快速响应组件可与腔流体相通，使得快速响应组件位于腔的燃烧部分的邻近。该系统可配置为使得在机器人框架100的每个结合点都安放有一个驱动系统150和一个功率转换装置180，并且它们由来自中央控制单元130的信号所控制。另外，例如功率干预器的安全装置可被包含在内，以保护穿戴该机器人框架的人员的安全。

在另外一个示例性实施例中，如图9总体示出的，展示了一个控制系统和计算工具的结构图，其用于提供对机器人框架的控制，而同时将机器人框架的操作者对机器人框架本身所施加的相互作用力减少到最小。该计算工具所使用的测量的输入参数可以包括：

1.机器人结合点的角度矢量，θ200；

2.机器人结合点的速度矢量，θ210；

3.测量的结合点扭矩矢量，τ220；

4.重力矢量，g230(典型地在某些连接到外骨骼的参照系内测量，例如使用一个附加在骨盆上的惯性测量单元)；

5.力和力矩，称为F-矢量240，由操作者和外骨骼之间的相互作用产生。作为例子，相互作用力和力矩矢量F可在各位置测得，例如：

(i)在操作者的脚和外骨骼之间，在连附到操作者的骨盆轭具之间，

(ii)在外骨骼的骨盆和连附到操作者的骨盆轭具之间，

(iii)在外骨骼的脊柱结构和连附到操作者的肩部轭具之间，

(iv)在操作者的手和/或手腕与外骨骼手臂之间，以及

(v)其他可能的位置。

在一个实施例中，对于基于足部传感器的控制，使用包含重力补偿的控制规则来计算所需的扭矩命令(τ_d220)，其产生所需的结果。更具体地，所需的结果即是达到自然的、直觉的控制，同时保持操作者和外骨骼之间的相互作用力比系统所传输的有效载荷的重力远小得多(其中不包括操作者自身的重力组分，当他站在地面上时，该组分必须由他自己的双脚来支持)。在一个方面，这种适合于基于足部传感器控制的控制规则可书写如下：

对于左腿，

${\mathrm{\τ}}_d=\hat{g}\left(\mathrm{\θ}\right)+K_S(s_L,s_R)J^T{K}_f(s_L,s_R)(F_{\mathrm{filtered}}-s_L\·m_P{g}_{\mathrm{foot}})---\left(1\right)$

以及对于右腿，

${\mathrm{\τ}}_d=\hat{g}\left(\mathrm{\θ}\right)+K_S(s_L,s_R)J^T{K}_f(s_L,s_R)(F_{\mathrm{filtered}}-s_L\·m_P{g}_{\mathrm{foot}})---\left(2\right)$

以上表达式中所使用的函数和符号在以下的段落中定义。

参照以上的公式1和2，以及如图9总体所示，J^T260是转置的雅克比矩阵，它是外骨骼结合点角度θ200和外骨骼结合点速度的函数，其中雅克比矩阵自身涉及某个参照系(例如足部力-力矩传感器)相对于另一个参照系(例如连附到骨盆的参照系)的平动速度和角速度。

项g(θ)280对应于重力补偿扭矩命令。该重力补偿命令是一个前向反馈命令，提供稳态重量补偿并允许在不使用基于力-力矩传感器的控制循环端口的情况下，支持有效载荷和外骨骼。它也可以用于实施对于结合点扭矩传感器校正增益和零点漂移的自动现场验证。重力补偿扭矩命令g(θ)280依赖于重力存在情况下外骨骼和有效载荷的整体配置、连接物和有效载荷的质量属性、外骨骼和地面之间的相互作用力和力矩，以及操作者和外骨骼之间的力-力矩相互作用。

F_filtered290是一个低通过滤的力和力矩矢量，其通过右脚或左脚力-力矩传感器来测量，并用作控制系统的输入参数。实际上，为了增加系统的响应性，同时保持系统的稳定性，使用了一些非线性的、动态调整的低通过滤参数。该概念可以有很多不同的实施方式。

项m_Pg_foot270是在右脚或者左脚力-力矩传感器参照系内接近于操作者重量的一个量。对于手臂、骨盆或背部安装的测压元件的情形，该数值一般地设置为零或其它所需的目标力-力矩(例如，一个可以导致外骨骼向人施加前向推力的数值)。

被称为S_L300和S_R300的参数是缩放因子，它用于计算计算工具所必需的外骨骼和操作者之间所需的力。几个不同函数可用于此目的，下面描述用于控制外骨骼的几个例子。

左脚和右脚重量分布因子，S_L300和S_R310，分别使用足部传感器来计算，以根据何只脚处于着地状态，或者当两只脚都着地时，根据每只脚的相对称重，来提供对结合点扭矩缩放的度量标准。以下描述的简单计算包括读取各自有符号的足部传感器读数(正的读数表示沿着重力方向推的力)，并除以左右两只足部传感器有符号的读数之和。如果该数值为负(例如，当提起脚的速度大于机器所能响应的速度时)，则将其设置为零。如果该数值大于正一，则将其设置为一。例如，当S_L等于1，S_R等于零时，此人仅用左脚站立而右脚举起。当S_R＝0.5并且S_L＝0.5，则此人的左右脚称重相同。S_R和S_L之和不总是严格等于一(记住，该计算中，分子和分母都是有符号的数值)，而且其他表达式也是可能的，但是其相对大小(总是正值)确实提供一个有效的手段来对结合点扭矩进行缩放，以控制行动。

具有以上所述特征的多个函数都可以用于计算缩放因子：S_L和S_R。当外骨骼系统在一个大致为水平的表面上操作这种具体情形下，在传感器参照系中所测量的沿着x轴的力分量对应于脚的参照系中重力矢量的取向。

以下的算法，如等式3所示，可用于计算缩放因子：

$\begin{array}{ccc}{S}_L=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}{F}_{x,L}<0\\ \frac{F_{x,L}}{F_{x,L}+F_{x,R}}& \mathrm{if}\frac{F_{x,L}}{F_{x,L}+F_{x,R}}\&le;1\\ 1& \mathrm{if}\frac{F_{x,L}}{F_{x,L}+F_{x,R}}>1\end{array}\right.& \mathrm{and}& S_R=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{if}{F}_{x,R}<0\\ \frac{F_{x,R}}{F_{x,L}+F_{x,R}}& \mathrm{if}\frac{F_{x,R}}{F_{x,L}+F_{x,R}}\&le;1\\ 1& \mathrm{if}\frac{F_{x,R}}{F_{x,L}+F_{x,R}}>1\end{array}\right.\end{array}$

(3)

在外骨骼的腿中，以及在全身外骨骼系统中，力-力矩传感器所感测到的力的所需分量的缩放因子，可以使用右脚和左脚传感器沿着重力矢量的方向所测量的力的该分量的带符号的数值来估算，重力矢量在足部传感器的参照系中测量。

${\hat{g}}_L=g_L/\left|\right|g_L\left|\right|---\left(4\right)$

${\hat{g}}_R=g_R/\left|\right|g_R\left|\right|---\left(5\right)$

为了这个目的，单位重力矢量 ${\hat{g}}_{\mathrm{imu}}=g_{\mathrm{imu}}/\left|\right|g_{\mathrm{imu}}\left|\right|$ 是利用所算出的旋转矩阵在足部传感器参照系中表达的惯性测量单位(IMU)坐标系。该矢量依赖于机器人运动学链和机器人结合点角度。以上的等式4和5中分别示出对左右腿的重力矢量计算。

用来计算缩放因子S_L和S_R的力分量可通过类似于以上所定义的等式组所描述的方式获得，但是其中标量F_x，L和F_x，R分别被

和

替换，其中F_PE，L和F_PE，R分别是在左脚和右脚传感器参照系中人和外骨骼之间的力的三个分量。如果我们将重力矢量在骨盆参照系中表达，并且将相互作用力也在骨盆参照系中表达，可以获得同样的结果。

本说明书中所描述的实施例可以使用两个系列的反馈增益矩阵。它们是sense K，K_S320和力-力矩反馈增益矩阵K_F330。在一个实施例中，sense-K和力-力矩反馈矩阵是对角矩阵。进一步地，K_S320的对角元素或者等于零，或者基本上数值相等。sense-K反馈增益矩阵的特性根本上允许激活或关闭(例如当元素为零时)控制系统，并允许施加一个全局增益标量值。在另外一个方面，力-力矩增益矩阵是对角矩阵。然而，其所有对角元素可以具有显著不同的数值。

在本发明的另一个实施例中，为了优化装置的稳定性和功率，可以实施一个滑动的增益方案。不费力的机动性和对象操作需要大的增益。然而，当用于系统的非负载承担部分时，大的增益却导致差的功率。为了防止大的有效载荷情况下的不稳定性，需要低的增益，用于系统的负载承担部分。然而，低增益又导致机动性和速度降低。通过在操作期间将增益在系统的负载承担部分和非负载承担部分之间滑动，装置可以优化功率和机动性。为了在行走周期中的单腿支撑部分和双腿支撑部分，以及在周期的摆荡期间提高系统性能，可以实施一个滑动增益算法，来计算控制增益，如下：

K_j(s_i)＝K_LOW+(K_HIGH-K_LOW)f(s_i)      (5)

其中j＝F或S，指的是力-力矩(F)增益，“sense-K”(S)，而i＝R或者L(右腿或左腿)，并且其中K_HIGH，K_LOW是增益的最高和最低限制数值。随着s(即先前定义的缩放因子S_L或S_R)从0变化到1，函数f(s)从1到0单调变化。这种滑动增益算法的一个例子在图7中示出，并如下面式6所示。

SlideGain＝K_HIGH+S_L*(K_LOW-K_HIGH)/(thresh+ε)     (6)

左脚的滑动增益(slidegain)在上面式6中示出。然而，对于右脚可以使用一个类似的表达式(S_L换为S_R)。Thresh是这样的一个值，当超过此值时，增益为恒定，而ε可以是10^-3到10^-6数量级的一个小量。

可以通过这样一个例子实施滑动增益方案，该例子包括在控制界面力状态关系中感测一个变化，其中需要机器人装置产生位移。然后，系统将外骨骼的一个非活动的负载承担部分锁住，并将外骨骼的一个活动的非负载承担部分解锁。然后，控制系统计算外骨骼的已解锁的非负载承担部分所需的结合点旋转力，以恢复前述感测的包括重力在内的控制界面力状态关系。该系统还计算外骨骼的已锁住的负载承担部分所需的结合点旋转力，以保证外骨骼对人体施加的力是零。控制系统产生并向装置的致动组件发送一个信号，并以所计算的结合点旋转力来位移外骨骼的已解锁的非负载承担部分。它也对耦合到外骨骼上的位移装置进行致动，以维持外骨骼的已锁住的负载承担部分中的计算的结合点旋转力。外骨骼的结合点锁住或者解锁的程度是以上讨论的计算出的增益的函数。

进一步参考图9，最终计算出的扭矩τ_d220被用来计算所需的机器人结合点速度

340，和结合点与所计算的速度增益K_V360和位置增益K_P370所需的相对位置θ_d350。所述的数值然后被传输到机器人系统100的中央控制单元160并实施，以保持传感器和人体四肢之间的控制界面力状态关系。

除了以上的应用，本发明可用于任何数量的需要力量、持久力和精度增强的应用中，而不需要将操作者栓系到一个固定的功率源或者控制源上。

此处构思并公布了一种使得可穿戴的人类外骨骼可以与人体的移动相协调移动的方法。该方法包括穿着一个人类外骨骼、感测外骨骼上所耦合的多个力传感器和人体四肢附近的接触位置之间的力状态等步骤。另外，本方法包括计算重力相对于外骨骼的一部分的方向，并手动调整外骨骼人体力响应数值。进一步地，本方法包括将人体的一部分相对于力传感器位移，并感测力状态的改变。本方法还包括锁住外骨骼的一个非移动负载承担部分，解锁外骨骼的一个移动的非负载承担部分，计算外骨骼的已解锁的非负载承担部分所需的结合点旋转力以恢复包括重力在内的力状态，计算外骨骼的锁住的负载承担部分所需的结合点旋转力以保证外骨骼作用于人体的力为零，以及产生一个至少包含所计算的结合点旋转力的信号。另外，本方法包括将所述信号传输给耦合在所述外骨骼上的致动系统，并响应于所述信号，致动一个耦合在外骨骼上的位移装置，以所计算的结合点旋转力来将外骨骼的解锁的非负载承担部分进行位移。进一步地，本方法包含响应于所述信号，致动耦合在外骨骼上的位移装置，以保持外骨骼的锁住的负载承担部分中计算出的结合点旋转力，并重复以上步骤，以模仿人体的移动。

应该了解，以上参考的布置方式仅为示例本发明的原则的应用。本领域的普通技术人员可以显见，可以做出各种更改而不偏离权利要求中所陈述的本发明的原则和概念。

Claims (21)

1.一种机器人位移装置，使用一种机器人框架，其被塑形为模拟人体的至少一部分并可与之耦合，并配置为模仿人体的移动，所述机器人位移装置包括：

多个力传感器，沿着所述机器人框架的四肢连附到机器人框架上，配置为感测传感器和人体四肢之间的可调的控制界面力状态关系，并输出力信号；

力计算系统，连附于所述机器人框架上，配置为接收来自所述传感器的力信号，计算重力的大小以及重力相对于机器人框架的方向，计算为保持所述控制力状态关系所需的运动力，并产生和传输对应于该运动力的致动信号；以及

驱动系统，连附于所述机器人框架上，配置为从所述力计算系统实时地接收所传输的致动信号，并将所述机器人框架的一部分进行位移，以保持所述控制力状态关系。

2.权利要求1中的机器人位移装置，其中所述多个传感器可布置为与人体四肢上的接触位置相邻。

3.权利要求1中的机器人位移装置，其中所述多个传感器可布置为与人体四肢上相对于框架的接触位置相接触。

4.权利要求1中的机器人位移装置，其中所述多个传感器进一步包括安放在机器人框架上髋部和肩部附近的力传感器，所述多个力传感器能够同时感测人体在多个轴上的多个移动方向。

5.权利要求1中的机器人位移装置，其中所述驱动系统进一步包括多个驱动机构，所述多个驱动机构安放于机器人框架上多个位置，该多个位置能够同时操作以将机器人框架沿多个方向以及在多个轴位移。

6.权利要求1中的机器人位移装置，其中所述力传感器可通过非人体接触而激活。

7.权利要求1中的机器人位移装置，其中所述驱动机构由内燃(IC)机供能，该内燃机包括：

腔，具有活塞、至少一个与所述腔耦合的用于向其提供流体的流体端口，以及排放端口，所述活塞和所述至少一个流体端口配置为向所述腔提供可变的压力，所述活塞和所述流体配置为至少部分的促进燃烧，以在所述腔的燃烧部分从所述燃烧提供能量；

控制器，用来控制所述腔内的所述燃烧；以及

快速响应组件，与所述腔流体相通，所述快速响应组件与所述腔的所述燃烧部分相邻放置，所述快速响应组件配置为从所述腔的所述燃烧中提取一部分所述能量。

8.权利要求1中的机器人位移装置，进一步包括控制系统，配置为将来自功率供应的功率指引到少于全部力传感器的组。

9.权利要求1中的机器人位移装置，进一步包括控制系统，配置为从通讯装置接收远程信号。

10.一个可移动外骨骼结构，用于附加在人体上，包括：

外骨骼结构，配置为进行相对于人体的响应性移动；

感测工具，附加于所述外骨骼结构，用于探测多个传感器和人体之间的可调的控制界面力状态；

计算工具，附加于所述外骨骼结构，用于计算重力相对于所述外骨骼结构位置的方向以及大小；以及

位移系统，附加于所述外骨骼结构，配置为基于相对于重力的方向和大小保持所述控制界面力状态关系来模仿人体的空间和时间移动。

11.权利要求10中的外骨骼结构，其中所述计算工具计算所述外骨骼结构向人体施加的力，以及所述系统为抵消计算出的施加于人体的力所需的结合点旋转力。

12.权利要求10中的外骨骼结构，其中所述位移系统向所述外骨骼结构的结合点组件施加旋转力，以抵消所述外骨骼结构向人体施加的力。

13.一个可穿戴的机器人系统，配置为被实时位移，以模仿人体的移动，所述可穿戴机器人系统包括：

机器人框架，被塑形为模拟人体的至少一部分并可与之耦合；

多个力传感器，附加于所述机器人框架上，配置为感测人体四肢和力传感器之间的可调控制界面力状态的变化；

力计算装置，附加于机器人框架上，配置为计算重力的方向和大小，计算为保持所述可调控制界面力状态关系而所需的力，并传输致动信号；

致动器，附加于机器人框架上，配置为从力计算装置接收所述致动信号，并激活驱动机构；以及

驱动机构，与所述致动器相耦合，配置为将机器人框架的一部分相对于人体进行位移，直到恢复所述可调控制界面力关系。

14.一种用于与人体协调来同时移动可穿戴机器人框架的方法，包括步骤：

a.探测机器人框架上至少安放于人体四肢附近的多个力传感器与人体四肢附近的接触位置之间的控制界面力关系；

b.探测重力与所述可穿戴机器人框架的相对方向；

c.将人体的一部分相对于力传感器进行位移；

d.探测界面力关系的状态变化；

e.响应于控制界面力关系的状态变化而产生多个信号；

f.向耦合到所述可穿戴机器人框架的致动器系统传输所述信号；以及

g.响应于所述信号，至少以旋转的方式致动与所述机器人框架耦合的位移装置，直到所述控制界面力关系得到恢复。

15.权利要求14中的方法，其中所述力传感器安放于人体的肩部和髋部附近。

16.权利要求14中的方法，其中所述力关系由可调临近传感器和人体上接触位置之间的距离所定义。

17.权利要求14中的方法，其中所述传感器能够同时操作，以感测在多个轴上沿多个方向的移动。

18.权利要求14中的方法，其中所述位移装置配置为同时操作，以将所述机器人框架沿多个方向以及在多个轴上位移。

19.权利要求14中的方法，其中所述位移装置由快速响应功率转换装置供能。

20.权利要求14中的方法，其中所述力传感器对于控制力状态关系的变化的灵敏度是可调的。

21.一种使得可穿戴人体外骨骼能够与人体移动协调移动的方法，包括步骤：

a.穿着人体外骨骼；

b.感测耦合到所述外骨骼的多个力传感器和人体四肢附近的接触位置之间的力状态；

c.计算重力相对于所述外骨骼的一部分的方向；

d.手动调整外骨骼人体力响应数值；

e.相对于力传感器位移人体的一部分；

f.感测所述力状态的变化；

g.锁住外骨骼的非移动的负载承担部分；

h.解锁外骨骼的移动的非负载承担部分；

i.计算外骨骼的已解锁的非负载承担部分所需的结合点旋转力，以恢复包括重力在内的力状态；

j.计算外骨骼的已锁的负载承担部分所需的结合点旋转力，以保证外骨骼对人体作用力为零；

k.产生至少包括所计算的结合点旋转力的信号；

l.将所述信号传输到与所述外骨骼耦合的致动系统；

m.响应于所述信号，致动与外骨骼耦合的位移装置，以通过所计算的结合点旋转力对外骨骼的解锁的非负载承担部分进行位移；以及

n.响应于所述信号，致动与外骨骼耦合的位移装置，以维持外骨骼的锁定的负载承担部分中所计算的结合点旋转力。

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