CN107714400A - 引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法，其包括以下步骤，S1、穿戴外骨骼机器人，并握持智能拐杖；S2、接通外骨骼机器人和智能拐杖的电源，并对其进行初始化设置；S3、实时检测智能拐杖的触地压力和倾角；4、判断使用者的步态信息；S5、根据步态信息，驱动外骨骼机器人动作；S6、循环执行步骤S3至步骤S5。本发明能使下肢外骨骼机器人的使用者通过智能拐杖实时检测得出行走过程中的压力和倾角信息，然后转换成人体的步态信息并传递至外骨骼机器人，外骨骼机器人获取人体主观上的行走意图后，将人引入“控制环路”中，安全准确的引导人体进行行走，其操作简单方便、实用性强、安全性高。

Description

引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法
技术领域
本发明涉及下肢外骨骼助力机器人领域，尤其涉及一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法。
背景技术
下肢外骨骼助力机器人在军事(如协助单兵携带装备远距离崎岖山路行走)、科考(如野外背负重物)、灾害救助(如地震现场运送伤员)等领域有着非常重要的应用前景。此外，老龄化正在全球蔓延，下肢外骨骼助力机器人的出现不仅可以帮助一些老年人解决体力较差、行走不便的问题，也可以帮助一些丧失行走能力的人恢复部分的行动能力。但人体行走过程随意性较大，姿态变化快，如何准确判断人体步行状态，降低用户使用下肢外骨骼助力机器人行走的危险性，仍然是个难题。
人的行走的步态周期可分为：双支撑相、单支撑相(弹起相)、摆动相(摆动相、触地相)、双支撑相的循环周期，在此过程中，人体下肢关节角度会有规律性摆动，人体姿态会在人体的矢状面和冠状面产生规律波动，人体行走的压力会成周期性出现。对于下肢有行走困难或失去行走功能的残障人士，以自主辅助行走为目的，通过智能拐杖来引导下肢外骨骼助力机器人辅助行走是最方便可靠的控制方式，一方面可以根据两把拐杖的触地情况控制外骨骼，另一方面可让使用者维持身体平衡，防止摔倒。
发明内容
为解决现有技术中的问题，从而提出一种能够获取人体步态信息，较为准确地获取人的运动意图，引入人的智能决策，进而引导外骨骼助力机器人行走的引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法。
本发明提供的引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法，其包括以下步骤，
S1、穿戴外骨骼机器人，并握持智能拐杖；
S2、接通所述外骨骼机器人和所述智能拐杖的电源，并对其进行初始化设置；
S3、实时检测所述智能拐杖的触地压力和倾角；
S4、判断使用者的步态信息；
S5、根据所述步态信息，驱动所述外骨骼机器人动作；
S6、循环执行步骤S3至步骤S5。
优选地，所述步骤S1中，所述智能拐杖的数量为两个，且分别位于使用者身体的两侧。
优选地，所述步骤S4中的步态信息包括双支撑相、单支撑相和摆动相。
优选地，所述步骤S5中的外骨骼机器人动作包括：外骨骼机器人带动人体站立、外骨骼机器人带动人体迈左脚或迈右脚前行、外骨骼带动人体左右腿循环交替行走。
优选地，所述步骤S4中，判断所述步态信息的方法包括以下步骤：
S41、检测使用者身体两侧的所述智能拐杖是否同时触地且倾角为零，若是，则判断为双支撑相，所述外骨骼机器人带动使用者站立；
S42、检测是否仅使用者身体一侧的所述智能拐杖触地且具有倾角，若是，则判断为单支撑相，所述外骨骼机器人带动使用者身体另一侧进行迈腿前进；
S43、判断使用者身体两侧的所述智能拐杖是否交替触地且具有倾角，若是，则判断为摆动相，所述外骨骼机器人带动使用者身体依次进行迈腿前进。
优选地，所述智能拐杖通过有线或无线通讯方式与所述外骨骼机器人相连接。
本发明具有以下优点：
通过本发明的控制方法，其能使下肢外骨骼机器人的使用者通过智能拐杖实时检测得出行走过程中的压力和倾角信息，然后转换成人体的步态信息并传递至外骨骼机器人，外骨骼机器人获取人体主观上的行走意图后，将人引入“控制环路”中，安全准确的引导人体进行行走，其操作简单方便、实用性强、安全性高。
附图说明
通过以下参照附图而提供的具体实施方式部分，本发明的特征和优点将变得更加容易理解，在附图中：
图1是本发明的引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖的结构示意图；
图2是本发明的引导下肢外骨骼助力机器人行走的手柄位置的剖面结构示意图；
图3是本发明的引导下肢外骨骼助力机器人行走的压力传感器模块结构示意图；
图4是本发明的引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法的方法流程图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述。对示例性实施方式的描述仅仅是出于示范目的，而绝不是对本发明及其应用或用法的限制。
参照图1所示，根据本发明的引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖，包括拐杖本体1和设置在拐杖本体上的小臂3和手柄2，拐杖本体1由第一支撑杆102、第二支撑杆103、锁紧套104、压力传感器模块101、第三支撑杆105及脚垫106组成。小臂3上设置有与小臂3铰接的臂套301，手柄2上方设有一个小臂安装孔202，小臂3安装在手柄2上方该小臂安装孔202内，手柄2下方设有一个第一支撑杆安装孔203，第一支撑杆102安装在该第一支撑杆安装孔203内，第一支撑杆102与第二支撑杆103通过锁紧套104固定。第一支撑杆102与第二支撑杆103可根据不同穿戴者调节拐杖高度。传感器上固定架1011上方设有一个第二支撑杆安装孔10111，第二支撑杆102安装在该第二支撑杆安装孔10111内，传感器下固定架1014下方设有一个第三支撑杆安装孔10141，第三支撑杆105安装在该第三支撑杆安装孔10141内，第三支撑杆105下端安装有脚垫106。拐杖本体1内还设置有电源和电源开关，此块电源为智能拐杖电源，设置于手柄2内，电源开关则设置手柄2的外侧。
参照图2所示，手柄2内部集成有控制模块201，控制模块201上设有数据处理模块2011，USB接口2012，电池充电/程序下载模块2013，陀螺仪模块2014，无线发射模块2015，其中USB接口安装在手柄端口；陀螺仪模块2014用于测量人体行走过程中拐杖倾角；数据处理模块2011用于预先处理拐杖倾角数据，减轻外骨骼主控板任务；无线发射模块2015用于将数据处理模块2011的处理结果发送给外骨骼主控板；电池充电/程序下载模块2013及USB接口2012为手柄2内控制模块201电池充电或下载调试程序。
参照图3所示，压力传感器模块101包括：传感器上固定架1011、压力传感器1012、导向柱1013、传感器下固定架1014。传感器上固定架1011与第二支撑杆103采用螺纹连接，传感器下固定架1014与第三支撑杆105采用螺纹连接，压力传感器1012上端通过3个螺钉与传感器上固定架1011连接，压力传感器1012下端通过3个螺钉与传感器下固定架1014连接，传感器上固定架1011与传感器下固定架1014间安装有3根垂直导向柱1013，用于承受径向力及其产生力矩，使得压力传感器只检测来自拐杖底部的压力。
参照图4所示，本发明的引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法，其包括以下步骤，
S1、穿戴外骨骼机器人，并握持智能拐杖；本发明中，为了准确判断使用者的行走方向等信息，智能拐杖的数量为两个，且分别位于使用者身体的两侧。
S2、接通外骨骼机器人和智能拐杖的电源，并对其进行初始化设置；
S3、实时检测智能拐杖的触地压力和倾角；本实施例中，主要是通过压力传感器模块101检测智能拐杖的触地压力，陀螺仪模块2014检测智能拐杖的倾角，在本发明的其他实施例中，还可以采用其他元器件来智能拐杖的检测触地压力和倾角。
S4、判断使用者的步态信息；本发明中的步态信息包括双支撑相、单支撑相和摆动相。
S5、根据步态信息，驱动外骨骼机器人动作；
S6、循环执行步骤S3至步骤S5。
步骤S5中的外骨骼机器人动作包括：外骨骼机器人带动人体站立、外骨骼机器人带动人体迈左脚或迈右脚前行、外骨骼带动人体左右腿循环交替行走。
步骤S4中，判断步态信息的方法包括以下步骤：
S41、检测使用者身体两侧的智能拐杖是否同时触地且倾角为零，若是，则判断为双支撑相，外骨骼机器人带动使用者站立；
S42、检测是否仅使用者身体一侧的智能拐杖触地且具有倾角，若是，则判断为单支撑相，外骨骼机器人带动使用者身体另一侧进行迈腿前进；
S43、判断使用者身体两侧的智能拐杖是否交替触地且具有倾角，若是，则判断为摆动相，外骨骼机器人带动使用者身体依次进行迈腿前进。
本发明中，智能拐杖通过有线或无线通讯方式与外骨骼机器人相连接。
综上，通过本发明的控制方法，其能使下肢外骨骼机器人的使用者通过智能拐杖实时检测得出行走过程中的压力和倾角信息，然后转换成人体的步态信息并传递至外骨骼机器人，外骨骼机器人获取人体主观上的行走意图后，将人引入“控制环路”中，安全准确的引导人体进行行走，其操作简单方便、实用性强、安全性高。
虽然参照示例性实施方式对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于文中详细描述和示出的具体实施方式，在不偏离权利要求书所限定的范围的情况下，本领域技术人员可以对示例性实施方式做出各种改进或变型。

Claims (6)

1.一种引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、穿戴外骨骼机器人，并握持智能拐杖；
S2、接通所述外骨骼机器人和所述智能拐杖的电源，并对其进行初始化设置；
S3、实时检测所述智能拐杖的触地压力和倾角；
S4、判断使用者的步态信息；
S5、根据所述步态信息，驱动所述外骨骼机器人动作；
S6、循环执行步骤S3至步骤S5。
2.根据权利要求1所述的引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述智能拐杖的数量为两个，且分别位于使用者身体的两侧。
3.根据权利要求2所述的引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法，其特征在于：所述步骤S4中的步态信息包括双支撑相、单支撑相和摆动相。
4.根据权利要求1-3任一项所述的引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法，其特征在于：所述步骤S5中的外骨骼机器人动作包括：外骨骼机器人带动人体站立、外骨骼机器人带动人体迈左脚或迈右脚前行、外骨骼带动人体左右腿循环交替行走。
5.根据权利要求4所述的引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，判断所述步态信息的方法包括以下步骤：
S41、检测使用者身体两侧的所述智能拐杖是否同时触地且倾角为零，若是，则判断为双支撑相，所述外骨骼机器人带动使用者站立；
S42、检测是否仅使用者身体一侧的所述智能拐杖触地且具有倾角，若是，则判断为单支撑相，所述外骨骼机器人带动使用者身体另一侧进行迈腿前进；
S43、判断使用者身体两侧的所述智能拐杖是否交替触地且具有倾角，若是，则判断为摆动相，所述外骨骼机器人带动使用者身体依次进行迈腿前进。
6.根据权利要求1所述的引导下肢外骨骼助力机器人行走的智能拐杖控制方法，其特征在于：所述智能拐杖通过有线或无线通讯方式与所述外骨骼机器人相连接。
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