CN107322569B - 一种异构穿戴式负载助力装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构穿戴式负载助力装置及其控制方法，包括背架和两组腿部机构，两组腿部机构对称与背架相连，腿部机构包括大腿、小腿、足部、执行器、编码器和定位传感器；共六个自由度，分别为模拟人的两个髋关节屈/伸、两个膝关节屈/伸及两个踝关节的屈/伸自由度。本发明置于穿戴者身后，能将负载作用力较好地传递到地面。本发明的控制方法是通过定位传感器，采集人体足部运动位置及角度信息，根据该信息进行本发明的运动控制，并将编码器信息作为反馈，实现本发明与穿戴者的运动匹配。本发明结构简单、助力效果好、控制思路简易，可用于增强穿戴者步行负载能力，降低人体疲劳。

Description

一种异构穿戴式负载助力装置及其控制方法

技术领域

本发明属于仿生技术，具体涉及一种异构穿戴式负载助力装置及其控制方法。

背景技术

目前，穿戴式助力装置是一种可穿戴在人体身上的外骨骼式伴随式智能装备，通过同步“跟随”人体运动，辅助或代替人体承重及机动，突破人体体能极限，大幅度提高人体的负重机动能力/持久作战能力。目前，主要应用于人体下肢康复训练及辅助人体进行负载助力，可在反恐维稳、抢险救灾、医疗等多领域广泛应用和推广。迄今为止，尽管针对类似的穿戴式助力系统的研究已取得了部分进展，但距离实用还有很长一段路要走。

如申请号为201610520405.7的中国专利申请公开了下肢助力机械外骨骼，是模拟人体腿部结构，在人腿左右两侧设置机械腿，但这种拟人的设计方式使得负载的作用力作用在足底支撑面之外，力传递设计不合理，助力效果一般，同时该专利申请还不具备机械腿长短调节功能，对穿戴者的适应性较差；并且，铰接的机械关节结构无法满足人体运动需求，存在人机之间的运动干涉；另外，上述专利申请的下肢助力机械外骨骼的膝关节驱动机构采用缆绳式驱动，机构设计复杂，制造、装配难度大，控制精度较差。

又如申请号为201610614958.9的中国专利申请公开了一种智能下肢助力装置的在线步态规划系统及方法，所述智能下肢助力装置根据肌电采集单元、惯性采集单元采集的信息，提取特征，并与步态模型库匹配，得到预测关节角度，以在线控制智能下肢助力装置的步态；其所使用的传感器数量众多，且均布置于穿戴者身上，穿戴不方便，舒适度较差，并且对人体信息的采集处理复杂、耗时长，同时所述控制算法计算流程冗长、繁复，将导致人机交互性感知速度慢、控制系统处理信号到发出指令时间长，最终使得人机外骨骼系统与穿戴者的步态协调一致性较差，穿戴效果不良。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异构穿戴式负载助力装置及其控制方法，一方面解决拟人形穿戴式助力装置的助力效果差的问题，采用异构形式的机械形式，将穿戴者背负的负载重力通过异构穿戴式负载助力装置传递到地面，降低人体疲劳；同时结合异构结构的优点，仅需使穿戴者足部与异构穿戴式负载助力装置的足部运动相匹配即可，降低装置结构设计难度，另外，本发明还可通过调节执行器的输出，实现不同身高穿戴者的穿戴；另一方面，异构穿戴式负载助力装置所需传感器数量少、种类简单，可较为方便地对其控制，实现穿戴者与异构穿戴式负载助力装置之间的运动匹配。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种异构穿戴式负载助力装置，包括背架和两组腿部机构，两组腿部机构对称连接在背架上，所述腿部机构包括大腿、小腿、足部、髋执行器、膝执行器、踝执行器、髋编码器、膝编码器、踝编码器和定位传感器，大腿、小腿和足部依次连接，大腿顶端与背架转动连接，髋执行器两端分别与背架和大腿转动连接，膝执行器两端分别与大腿和小腿连接，踝执行器两端分别与小腿和足部连接，髋编码器设置在背架和大腿连接处，膝编码器设置在大腿和小腿连接处，踝编码器设置在小腿和足部连接处，定位传感器设置在足部上。

一种基于异构穿戴式负载助力装置的控制方法，方法步骤如下：

步骤1、构建异构穿戴式负载助力装置的机构数学模型，转入步骤2；

步骤2、穿戴者穿戴好异构穿戴式负载助力装置之后，开机，保持站立静止状态若干时间，调整腿部机构的各关节执行器，以适应穿戴者身高，同步进行各关节编码器及定位传感器初始信息的采集，转入步骤3；

步骤3、穿戴者进行运动，通过足部的弹性绑带上的定位传感器，采集穿戴者足部位置及角度信息，转入步骤4；

步骤4、利用构建的机构数学模型，将穿戴者的足部位置及角度信息进行逆向运动学求解，获取所述异构穿戴式负载助力装置的髋、膝、踝关节所需运动信息，转入步骤5；

步骤5、依据上述髋、膝、踝关节所需运动信息，控制相应关节执行器进行输出，并利用编码器实时监测腿部机构的运动角度信息是否正确，以保证异构穿戴式负载助力装置的足部与穿戴者足部的运动状态相同，转入步骤6；

步骤6、返回步骤3，实现穿戴者与所述异构穿戴式负载助力装置之间的连续运动。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）本发明的关节与人体关节无对应关系，可实现人体多种运动，不会因装置关节的单一铰链形式对人体产生运动干涉；（2）采用异构的方式，肢体后置，负载重力落在机构与执行器形成的支撑面内，机构能将负载重力传递到地面，提高负载助力能力，降低穿戴者疲劳；（3）结构形式简单，可通过控制执行器的伸缩长度实现装置与不同身高穿戴者之间的匹配；（4）少量传感器的使用既能准确获取所需人体足部运动信息，又能降低控制难度；（5）可实现对穿戴者的负载进行助力，协助士兵、消防员等需进行负重行走的人员运动，降低人体疲劳，本发明运用范围广泛，可适用于不同场合，具有广阔前景。

附图说明

图1为本发明异构穿戴式负载助力装置的整体机构示意图。

图2为本发明的穿戴示意图。

图3为本发明异构穿戴式负载助力装置的助力原理示意图。

图4为本发明异构穿戴式负载助力装置控制方法流程图。

1-背架，2-大腿，3-小腿，4-足部，5-髋执行器，6-膝执行器，7-踝执行器，8-髋编码器，9-膝编码器，10-踝编码器，11-定位传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1-图4所示，本发明所述的一种异构穿戴式负载助力装置，包括背架1和两组腿部机构，两组腿部机构对称连接在背架1上，所述腿部机构包括大腿2、小腿3、足部4、髋执行器5、膝执行器6、踝执行器7、髋编码器8、膝编码器9、踝编码器10和定位传感器11，大腿2、小腿3和足部4依次连接，大腿2顶端与背架1转动连接，髋执行器5两端分别与背架1和大腿2转动连接，膝执行器6两端分别与大腿2和小腿3连接，踝执行器7两端分别与小腿3和足部4连接，髋编码器8设置在背架1和大腿2连接处，膝编码器9设置在大腿2和小腿3连接处，踝编码器10设置在小腿3和足部4连接处，定位传感器11设置在足部4上。

所述背架1包括背板连接架1-1和托盘1-2，背板连接架1-1与托盘1-2成一定角度固连，托盘1-2底部固连有两组髋第一驱动安装座和髋第一连接座；托盘1-2与大腿2通过髋第一连接座转动连接，构成髋关节，髋编码器8设置在髋关节上，固定端与髋第一连接座相连，髋第一驱动安装座与髋执行器5的一端转动连接。另外，背板连接架1-1上设置有用于与穿戴者交互的肩带、腰带，控制系统可放置于背架1上，背架1还可根据实际需要布置其他物品及负重。

所述大腿2包括髋第二连接座、大腿连接杆、髋第二驱动安装座、膝第一驱动安装座和膝第一连接座，所述髋第二连接座固连在大腿连接杆的顶端，髋第二驱动安装座、膝第一驱动安装座分别固连在大腿连接杆的两侧，膝第一连接座固连在大腿连接杆底端；髋第二连接座与背架1转动连接，并与髋编码器8的旋转端固连，髋执行器5另一端与髋第二驱动安装座转动连接，膝执行器6一端与膝第一驱动安装座转动连接，膝第一连接座与小腿3转动连接，构成膝关节，膝编码器9设置在膝关节上，固定端与膝第一连接座相连。

所述小腿3包括膝第二连接座、小腿连接杆、膝第二驱动安装座、踝第一驱动安装座和踝第一连接座，所述膝第二连接座固连在小腿连接杆的顶端，膝第二驱动安装座、踝第一驱动安装座分别固连在小腿连接杆的两侧，踝第一连接座固连在小腿连接杆底端；膝第二连接座与大腿2转动连接，并与膝编码器9的旋转端固连，膝执行器6另一端与膝第二驱动安装座转动连接，踝执行器7一端与踝第一驱动安装座转动连接，踝第一连接座与足部4转动连接，构成踝关节，踝编码器10设置在踝关节上，固定端与踝第一连接座相连。

所述足部4包括足底连接板、踝第二连接座和踝第二驱动安装座，踝第二连接座固连在足底连接板中部，踝第二驱动安装座固连在足底连接板末端，足底连接板前掌设置有弹性绑带，弹性绑带上设置有定位传感器11；踝第二连接座与小腿3转动连接，并与踝编码器10的旋转端固连；踝执行器7的另一端与踝第二驱动安装座转动连接。

髋执行器5、膝执行器6和踝执行器7可以是但不限于液压缸、气动缸、直线电机、气动肌肉。髋编码器8、膝编码器9和踝编码器10为同一型号编码器，可提高装置器件利用率，降低装置机构设计制造及装配难度。

图2为穿戴者穿戴本发明的示意图，通过背板连接架1-1上设置的肩带及腰带，将穿戴者上躯干与本发明背架1相连接，同时利用本发明装置足部4上设置的弹性绑带，连接穿戴者的足部与本发明装置的足部4；通过上述两处的连接，实现穿戴者对异构穿戴式负载助力装置快速便捷穿戴。

图3为本发明异构穿戴式负载助力装置助力原理示意图，当穿戴者穿戴本发明进行负载背负时，负载重力G的作用线（图3所示虚线）落在本发明的腿部机构所构成的平面内，即本发明能较好地将负载的重力传递到地面，从而减小穿戴者的所受的重力，降低其疲劳感。

一种基于异构穿戴式负载助力装置的控制方法，流程如图4所示，方法步骤如下：

步骤1、构建异构穿戴式负载助力装置的机构数学模型，转入步骤2；

步骤2、穿戴者穿戴好异构穿戴式负载助力装置之后，开机，保持站立静止状态若干时间，调整腿部机构的各关节执行器，以适应穿戴者身高，同步进行各关节编码器及定位传感器初始信息的采集，转入步骤3；

步骤3、穿戴者进行运动，通过足部4的弹性绑带上的定位传感器11，采集穿戴者足部位置及角度信息，转入步骤4；

步骤4、利用构建的机构数学模型，将穿戴者的足部位置及角度信息进行逆向运动学求解，获取所述异构穿戴式负载助力装置的髋、膝、踝关节所需运动信息，转入步骤5；

步骤5、依据上述髋、膝、踝关节所需运动信息，控制相应关节执行器进行输出，并利用编码器实时监测腿部机构的运动角度信息是否正确，以保证异构穿戴式负载助力装置的足部4与穿戴者足部的运动状态相同，转入步骤6；

步骤6、返回步骤3，实现穿戴者与所述异构穿戴式负载助力装置之间的连续运动。

Claims (1)

1.一种异构穿戴式负载助力装置的控制方法，其特征在于：所述异构穿戴式负载助力装置，包括背架（1）和两组腿部机构，两组腿部机构对称连接在背架（1）上，所述腿部机构包括大腿（2）、小腿（3）、足部（4）、髋执行器（5）、膝执行器（6）、踝执行器（7）、髋编码器（8）、膝编码器（9）、踝编码器（10）和定位传感器（11），大腿（2）、小腿（3）和足部（4）依次连接，大腿（2）顶端与背架（1）转动连接，髋执行器（5）两端分别与背架（1）和大腿（2）转动连接，膝执行器（6）两端分别与大腿（2）和小腿（3）连接，踝执行器（7）两端分别与小腿（3）和足部（4）连接，髋编码器（8）设置在背架（1）和大腿（2）连接处，膝编码器（9）设置在大腿（2）和小腿（3）连接处，踝编码器（10）设置在小腿（3）和足部（4）连接处；

所述背架（1）包括背板连接架（1-1）和托盘（1-2），背板连接架（1-1）的一侧与托盘（1-2）成一定角度固连，背板连接架（1-1）的另一侧上设置有与穿戴者交互的肩带和腰带，托盘（1-2）底部固连有两组髋第一驱动安装座和两组髋第一连接座；所述大腿（2）包括髋第二连接座、大腿连接杆、髋第二驱动安装座、膝第一驱动安装座和膝第一连接座；所述小腿（3）包括膝第二连接座、小腿连接杆、膝第二驱动安装座、踝第一驱动安装座和踝第一连接座；所述足部（4）包括足底连接板、踝第二连接座和踝第二驱动安装座；托盘（1-2）与大腿（2）的髋第二连接座通过髋第一连接座转动连接，构成髋关节，髋编码器（8）设置在髋关节上，髋编码器（8）的固定端与髋第一连接座相连，髋第一驱动安装座与髋执行器（5）的一端转动连接；

所述髋第二连接座固连在大腿连接杆的顶端，髋第二驱动安装座、膝第一驱动安装座分别固连在大腿连接杆的两侧，膝第一连接座固连在大腿连接杆底端；髋第二连接座与髋编码器（8）的旋转端固连，髋执行器（5）另一端与髋第二驱动安装座转动连接，膝执行器（6）一端与膝第一驱动安装座转动连接，膝第一连接座与小腿（3）的膝第二连接座转动连接，构成膝关节，膝编码器（9）设置在膝关节上，膝编码器（9）的固定端与膝第一连接座相连；

所述膝第二连接座固连在小腿连接杆的顶端，膝第二驱动安装座、踝第一驱动安装座分别固连在小腿连接杆的两侧，踝第一连接座固连在小腿连接杆底端；膝第二连接座与膝编码器（9）的旋转端固连，膝执行器（6）另一端与膝第二驱动安装座转动连接，踝执行器（7）一端与踝第一驱动安装座转动连接，踝第一连接座与足部（4）的踝第二连接座转动连接，构成踝关节，踝编码器（10）设置在踝关节上，踝编码器（10）的固定端与踝第一连接座相连；

踝第二连接座固连在足底连接板中部，踝第二驱动安装座固连在足底连接板末端，足底连接板前掌设置有弹性绑带，弹性绑带上设置有定位传感器（11）；踝第二连接座与小腿（3）转动连接，并与踝编码器（10）的旋转端固连；踝执行器（7）的另一端与踝第二驱动安装座转动连接；

方法步骤如下：

步骤1、构建异构穿戴式负载助力装置的机构数学模型，转入步骤2；

步骤2、穿戴者穿戴好异构穿戴式负载助力装置之后，开机，保持站立静止状态若干时间，调整腿部机构的髋执行器（5）、膝执行器（6）、踝执行器（7），以适应穿戴者身高，同步进行髋编码器（8）、膝编码器（9）、踝编码器（10）及定位传感器初始信息的采集，转入步骤3；

步骤3、穿戴者进行运动，通过足部（4）的弹性绑带上的定位传感器（11），采集穿戴者足部位置及角度信息，转入步骤4；

步骤4、利用构建的机构数学模型，将穿戴者的足部位置及角度信息进行逆向运动学求解，获取所述异构穿戴式负载助力装置的髋、膝、踝关节所需运动信息，转入步骤5；

步骤5、依据上述髋、膝、踝关节所需运动信息，控制相应髋执行器（5）、膝执行器（6）、踝执行器（7）进行输出，并利用髋编码器（8）、膝编码器（9）、踝编码器（10）实时监测腿部机构的运动角度信息是否正确，以保证异构穿戴式负载助力装置的足部（4）与穿戴者足部的运动状态相同，转入步骤6；

步骤6、返回步骤3，实现穿戴者与所述异构穿戴式负载助力装置之间的连续运动。