CN104398262A - 一种剖分式下肢穿戴测量装置及跟随控制方法 - Google Patents

一种剖分式下肢穿戴测量装置及跟随控制方法 Download PDF

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Abstract

剖分式下肢穿戴测量装置及跟随控制方法，剖分式下肢穿戴测量装置包括:额状轴测量装置、垂直轴测量装置、髋关节连接件和小腿连接件。步行平台包括：左四足、右四足、左电机和右电机。其中垂直轴测量装置采用剖分式结构设计，此结构提高了测量装置穿戴使用的方便性，快捷性。对双四足步行平台的跟随控制方法的提出，使得对双四足步行平台的控制更为方便，使人的双手得到解放，提高工作效率。实现了人机协同运动。该装置及控制方法可用于探测、军用等。

Description

一种剖分式下肢穿戴测量装置及跟随控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种穿戴式下肢外骨骼机构装置及其对步行平台的跟随控制方法，具体是一种可剖分穿戴式人体下肢旋转信息测量机构和对步行平台的跟随控制方法。
背景技术
申请号为200910088396.9的发明专利设计了一种穿戴式下肢外骨骼机构装置，使外骨骼能够具有较准确的额状轴及垂直轴信息检测功能，但是其设计构型为整体式，并不方便穿卸。
申请号为201010588398.7的发明专利设计了一种单动力四足步行机构，模仿四足动物在地面步行移动。其腿部为多连杆闭链机构，单腿仅需要一个电机驱动，但其并不能实现转向功能。
北京交通大学张伟涛毕业论文《双四足差动驱动步行车辆的研究》中设计了一种双四足差动步行车辆，其腿机构采用较成熟的一种八杆十副方案，整车自由度为2，用两台驱动电机即可实现行走及转向。文章同时对腿式差速转向进行了运动学分析，并通过仿真分析验证了其正确性。
发明内容
本发明要解决的一个问题是提出一种新颖的剖分式下肢穿戴测量装置，使测量装置的穿戴更为方便快捷。同时提出一种对步行平台的下肢跟随控制方法，解放双手，提高工作效率。
本发明的技术方案：剖分式下肢穿戴测量装置及跟随控制方法包括：额状轴测量装置、垂直轴测量装置、髋关节连接件和小腿连接件。
垂直轴测量装置通过左半管套和连接块固连于额状轴测量装置的大腿板；髋关节连接件、小腿连接件均由螺钉直接固连于额状轴测量装置。
步行平台由左四足、右四足、左电机和右电机组成。左电机和右电机分别固连于左四足和右四足机架上，左电机和右电机输出轴经链传动驱动曲柄整周转动，左四足和右四足则通过四根横梁固连为一整体。步行平台通过左、右电机转动速度差实现整机差速转向运动。
额状轴测量装置包括：髋关节板、延伸板、小腿下板、大腿板、连接块、小腿上板、法兰、压片和编码器。
髋关节板、大腿板、编码器的连接方式与大腿板、小腿上板、编码器的连接方式相同。髋关节板、大腿板与编码器的连接方式如下：髋关节板末端依靠均布的四颗螺钉与法兰固连，轴承置于大腿板末端阶梯孔内，法兰一侧圆柱凸台穿过大腿板内的轴承形成转动配合，实现髋关节板与大腿板的转动连接，编码器通过压片固连于大腿板，编码器转轴插入法兰圆柱凸台孔内，实现紧键配合。
两节大腿板均由螺钉固连于延伸板，可通过调节固连螺钉安装位置调节装置大腿部分的长度。小腿上板、小腿下板与延伸板通过螺钉固连，可调整螺钉安装位置调节装置小腿部分长度。连接块与大腿板通过螺钉固连。
垂直轴测量装置包括：剖分式小齿轮组件和剖分式大齿轮组件。
剖分式大齿轮组件由半齿轮、半轴瓦、左半管套、右半管套和合页组成。
剖分式大齿轮组件的连接关系为：左半管套、右半管套和半轴瓦依次扣合加紧固连于两片半轴瓦外侧，两片半轴瓦内侧和半齿轮形成转动连接。左半管套和右半管套与合页通过螺钉连接形成相对转动，另一端为扣合连接。
剖分式小齿轮组件由连接板小齿轮轴、下板、编码器连接板、联轴器、小齿轮和编码器组成。
剖分式小齿轮组件的连接关系为：小齿轮由顶丝固连于小齿轮轴，小齿轮轴和编码器转轴依靠顶丝分别固连于联轴器两端。编码器连接板、连接板、下板均由螺钉连接。编码器由螺钉固连于编码器连接板上的4个均布安装孔上。
跟随控制方法为：额状轴测量装置上髋关节位置编码器测得主动关节额状轴参数1，包括：角位移θ1、角速度ω1和角加速度α1。膝关节位置编码器测得主动关节额状轴参数2，包括：角位移θ2、角速度ω2和角加速度α2。代入人机联动速度数学模型，用以控制步行平台的跟随响应左、右电机a、b的共同转速r，以得到步行平台不同的直行跟随运动速度。
垂直轴测量装置上编码器测得主动关节垂直轴参数3，包括：角位移θ3。经人机联动转向数学模型，设定角位移阈值，判定转弯方向。计算θ3偏离阈值量用以控制步行平台转向半径。
有益效果
本发明的工作原理是在人体正常行走运动时，下肢带动外骨骼机构做随动运动，三个编码器分别收集髋关节，膝关节的额状轴转动角度信息、髋关节的垂直轴转动信息，从而控制步行平台的速度，方向和转弯半径。本发明的有益效果是剖分式穿戴装置的应用使外骨骼的穿戴使用更为方便高效，并准确获取人体髋关节和膝关节的运动信息，结合人机联动数学模型实现下肢对步行平台的跟随控制，解放双手，提高工作效率。
附图说明
图1(a)为剖分式下肢穿戴测量装置的结构示意图；
图1(b)为步行平台的结构示意图；
图2为垂直轴测量装置和额状轴测量装置连接方式示意图；
图3为额状轴测量装置的结构示意图；
图4为额状轴测量装置关节的安装爆炸图；
图5(a)、5(b)为垂直轴测量装置的结构示意图；
图6为剖分式大齿轮组件的安装爆炸图；
图7为剖分式小齿轮组件的结构示意图；
图8为跟随控制方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1a所示，剖分式下肢穿戴测量装置及跟随控制方法包括：额状轴测量装置A、垂直轴测量装置B、髋关节连接件1和小腿连接件2。
如图1b所示，步行平台C由左四足C-1、右四足C-2、左电机a和右电机b组成；左电机a和右电机b分别固连于左四足C-1和右四足C-2机架上。左电机a和右电机b输出轴经链传动驱动曲柄整周转动；左四足C-1和右四足C-2则通过四根横梁固连为一整体。步行平台C通过左、右电机a、b转动速度差实现整机差速转向运动。
如图2所示，垂直轴测量装置B通过左半管套B-2-3和连接块A-5固连于额状轴测量装置A的大腿板A-4。髋关节连接件1、小腿连接件2均由螺钉直接固连于额状轴测量装置A。
如图3、4所示，额状轴测量装置A包括：髋关节板A-1、延伸板A-2、小腿下板A-3、大腿板A-4、连接块A-5、小腿上板A-6、法兰A-7、压片A-8和编码器3。
髋关节板A-1、大腿板A-4、编码器3的连接方式与大腿板A-4、小腿上板A-6、编码器3的连接方式相同。髋关节板A-1、大腿板A-4与编码器3的连接方式如图4所示：髋关节板A-1末端依靠均布的四颗螺钉与法兰A-7固连。轴承置于大腿板A-4末端阶梯孔内。法兰A-7一侧圆柱凸台穿过大腿板A-4内的轴承形成转动配合，实现髋关节板A-1与大腿板A-4的转动连接。编码器3通过压片A-8固连于大腿板A-4，编码器3转轴插入法兰A-7圆柱凸台孔内，实现紧键配合。
两节大腿板A-4均由螺钉固连于延伸板A-2，可通过调节固连螺钉安装位置调节装置大腿部分的长度。小腿上板A-6、小腿下板A-3与延伸板A-2通过螺钉固连，可调整螺钉安装位置调节装置小腿部分长度。连接块A-5与大腿板A-4通过螺钉固连。
如图5所示，垂直轴测量装置B包括：剖分式小齿轮组件B-1和剖分式大齿轮组件B-2。
如图6所示，剖分式大齿轮组件B-2由半齿轮B-2-1、半轴瓦B-2-2、左半管套B-2-3、右半管套B-2-4和合页B-2-5组成。
连接关系为：左半管套B-2-3、右半管套B-2-3和半轴瓦B-2-2依次扣合加紧固连于两片半轴瓦B-2-2外侧，两片半轴瓦B-2-2内侧和半齿轮B-2-1形成转动连接；左半管套B-2-3和右半管套B-2-3与合页B-2-5通过螺钉连接形成相对转动，另一端为扣合连接。
如图7所示，剖分式小齿轮组件B-1由连接板B-1-1、小齿轮轴B-1-2、下板B-1-3、编码器连接板B-1-4、联轴器B-1-5、小齿轮B-1-6和编码器3组成。
连接关系为：小齿轮B-1-6由顶丝固连于小齿轮轴B-1-2，小齿轮轴B-1-2和编码器3转轴依靠顶丝分别固连于联轴器B-1-5两端；编码器连接板B-1-4、连接板B-1-1、下板B-1-3均由螺钉连接。编码器3由螺钉固连于编码器连接板B-1-4上的4个均布安装孔上。
如图8所示，跟随控制方法为：额状轴测量装置A上髋关节位置编码器3测得主动关节额状轴参数1，包括：角位移θ1、角速度ω1和角加速度α1。膝关节位置编码器3测得主动关节额状轴参数2，包括：角位移θ2、角速度ω2和角加速度α2。代入人机联动速度数学模型，用以控制步行平台的跟随响应左、右电机a、b的共同转速r，以得到步行平台C不同的直行跟随运动速度。
垂直轴测量装置B上编码器3测得主动关节垂直轴参数3，包括：角位移θ3。经人机联动转向数学模型，设定角位移阈值，判定转弯方向。计算θ3偏离阈值量用以控制步行平台C转向半径。

Claims (4)

1.一种剖分式下肢穿戴测量装置及跟随控制方法，其特征在于：所提出的一种剖分式下肢穿戴测量装置及跟随控制方法，用于对步行平台(C)进行运动控制；
剖分式下肢穿戴测量装置包括：额状轴测量装置(A)、垂直轴测量装置(B)、髋关节连接件(1)和小腿连接件(2)；
其连接关系如下：垂直轴测量装置(B)通过左半管套(B-2-3)和连接块(A-5)固连于额状轴测量装置(A)的大腿板(A-4)上；髋关节连接件(1)、小腿连接件(2)均由螺钉直接固连于额状轴测量装置(A)；
步行平台(C)由左四足(C-1)、右四足(C-2)、左电机(a)和右电机(b)组成；左电机(a)和右电机(b)分别固连于左四足(C-1)和右四足(C-2)机架上；左电机(a)和右电机(b)输出轴经链传动驱动曲柄整周转动；左四足(C-1)和右四足(C-2)则通过四根横梁固连为一整体；步行平台(C)通过左、右电机(a、b)转动速度差实现整机差速转向运动。
2.根据权利要求1所述的剖分式下肢穿戴测量装置及跟随控制方法，其特征在于：
所述的额状轴测量装置(A)包括：髋关节板(A-1)、延伸板(A-2)、小腿下板(A-3)、大腿板(A-4)、连接块(A-5)、小腿上板(A-6)、法兰(A-7)、压片(A-8)和编码器(3)；
髋关节板(A-1)、大腿板(A-4)、编码器(3)的连接方式与大腿板(A-4)、小腿上板(A-6)、编码器(3)的连接方式相同；髋关节板(A-1)、大腿板(A-4)与编码器(3)的连接方式如下：髋关节板(A-1)末端依靠均布的四颗螺钉与法兰(A-7)固连；轴承置于大腿板(A-4)末端阶梯孔内；法兰(A-7)一侧圆柱凸台穿过大腿板(A-4)内的轴承，形成转动配合，实现髋关节板(A-1)与大腿板(A-4)的转动连接；编码器(3)通过压片(A-8)固连于大腿板(A-4)，编码器(3)转轴插入法兰(A-7)圆柱凸台孔内，实现紧键配合；
两节大腿板(A-4)均由螺钉固连于延伸板(A-2)，可通过调节固连螺钉安装位置调节装置大腿部分的长度；小腿上板(A-6)、小腿下板(A-3)与延伸板(A-2)通过螺钉固连，可调整螺钉安装位置调节装置小腿部分长度；连接块(A-5)与大腿板(A-4)通过螺钉固连。
3.根据权利要求1所述的剖分式下肢穿戴测量装置及跟随控制方法，其特征在于：所述垂直轴测量装置(B)包括：剖分式小齿轮组件(B-1)和剖分式大齿轮组件(B-2)；其连接关系如下：剖分式小齿轮组件(B-1)中的编码器连接板(B-1-4)和剖分式大齿轮组件(B-2)中的左半管套(B-2-3)通过螺钉连接在一起；
剖分式大齿轮组件(B-2)由半齿轮(B-2-1)、半轴瓦(B-2-2)、左半管套(B-2-3)、右半管套(B-2-4)和合页(B-2-5)组成；其连接关系如下：左半管套(B-2-3)、右半管套(B-2-3)和半轴瓦(B-2-2)依次扣合加紧固连于两片半轴瓦(B-2-2)外侧，两片半轴瓦(B-2-2)内侧和半齿轮(B-2-1)形成转动连接；左半管套(B-2-3)和右半管套(B-2-3)与合页(B-2-5)通过螺钉连接形成相对转动，另一端为扣合连接；
剖分式小齿轮组件(B-1)由连接板(B-1-1)、小齿轮轴(B-1-2)、下板(B-1-3)、编码器连接板(B-1-4)、联轴器(B-1-5)、小齿轮(B-1-6)和编码器(3)组成；
其连接关系如下：小齿轮(B-1-6)由顶丝固连于小齿轮轴(B-1-2)，小齿轮轴(B-1-2)和编码器(3)转轴依靠顶丝分别固连于联轴器(B-1-5)两端；编码器连接板(B-1-4)、连接板(B-1-1)、下板(B-1-3)均由螺钉连接；编码器(3)由螺钉固连于编码器连接板(B-1-4)上的4个均布安装孔上。
4.根据权利要求1所述的剖分式下肢穿戴测量装置及跟随控制方法，其特征在于：
跟随控制方法为：额状轴测量装置(A)上髋关节位置的编码器测得主动关节额状轴参数1，包括：角位移θ1、角速度ω1和角加速度α1；膝关节位置的编码器测得主动关节额状轴参数2，包括：角位移θ2、角速度ω2和角加速度α2；代入人机联动速度数学模型，用以控制步行平台的跟随响应左、右电机(a、b)的共同转速r，以得到步行平台(C)不同的直行跟随运动速度；
垂直轴测量装置(B)上编码器测得主动关节垂直轴参数3，包括：角位移θ3；经人机联动转向数学模型，设定角位移阈值，判定转弯方向；计算θ3偏离阈值量用以控制步行平台(C)转向半径。
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