CN108143594A - 下肢外骨骼机器人复杂地形的共融协调控制方法 - Google Patents

下肢外骨骼机器人复杂地形的共融协调控制方法 Download PDF

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陈勇
李荣华
武力
张连东
张震宇
王选宇
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
    • A61H2003/007—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about secured to the patient, e.g. with belts

Abstract

本发明公开了一种下肢外骨骼机器人复杂地形的共融协调控制方法，具有如下步骤：S1、实时采集下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号；S2、根据采集的下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号判断是否进行运动模式的切换，若切换执行步骤S3、若不切换执行步骤S1；S3、判断地形，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态；S4、根据下肢外骨骼机器人的正常运动模式，判断是否需要结束步态分析，若需要结束，下肢外骨骼机器人进行姿态复原，回归到最自然、最舒适的运动姿态，否则返回步骤S1。本发明提高穿戴者与下肢外骨骼机器人在复杂地形的动作灵活性、运动稳定性和环境适应性，实现人机共融。

Description

下肢外骨骼机器人复杂地形的共融协调控制方法
技术领域
本发明涉及康复机器人领域的控制方法，特别涉及下肢外骨骼机器人复杂地形的共融协调控制方法。
背景技术
衰老是不可抗拒的自然规律，中国是世界上老年人口最多的国家，占全球老年人口总量的五分之一，中国的人口老龄化不仅是中国自身的问题，而且关系到全球人口老龄化的进程，备受世界关注。2017年11月，国家统计局公布，60岁及以上的老年人达到2.23亿，占全国总人口的比例为15.9％，65岁及以上的老年人达到1.38亿，占全国总人口的比例为10.1％，65岁及以上的老年人达到1.51亿，占全国总人口10.58％。脑瘁中、帕金森、阿尔兹海默症是老年人的常见病和多发病，丧失生活自理能力的老年人超过4000万，每年新发病患者约为200万人，80％的患者会导致下肢偏瘫，身体机能逐渐衰退，不同程度地存在下肢运动障碍，导致行动不便，在生活上难以自理，不得不长期卧床或借助轮椅运动，经常导致褥疮、泌尿系统感染、骨质疏松、静脉血栓等并发症，在身心方面长年忍受着常人体会不到的痛苦，给家庭和社会带来了巨大的负担。
下肢外骨骼机器人穿戴在老年人的腿上，充当人体的外骨骼，帮助老年人重新站立和行走，促进血液循环，防止肌肉萎缩，减少并发症的发生，恢复运动能力和生活能力，重新回归社会，满足老年人的迫切需求，具有重要的社会价值和应用前景。
现有的下肢外骨骼机器人按照预先规定的动作序列和步态轨迹进行运动，适合结构化的简单环境，尚未充分考虑人机共融，相对人体的合理性和精巧性存在较大差异，没有考虑穿戴者的运动协调能力，无法适应穿戴者实现精确的位姿调整，限制了穿戴者的灵活运动，导致步态僵硬，难以协调穿戴者与下肢外骨骼机器人在复杂地形的动作灵活性、运动稳定性和环境适应性。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，利用人体的运动反射机理，根据仿生学原理，提供下肢外骨骼机器人复杂地形的共融协调控制方法。将人体反射、环境信息融入下肢外骨骼机器人的运动模式，建立反射模型、环境变量与运动姿态的动态匹配关系，针对湿滑地形、障碍地形、斜坡地形、沟壑地形、台阶地形，分别建立姿态协调控制方法，以穿戴者为中心，构建共融关系，实现运动共融、姿态共融、稳定共融、环境共融，对外界地形的改变能够做出快速准确的同步协调运动，实现穿戴者与下肢外骨骼机器人在复杂地形的动作灵活性、运动稳定性和环境适应性。本发明采用的技术手段如下：
一种下肢外骨骼机器人复杂地形的共融协调控制方法，具有如下步骤：
S1、实时采集下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号；
S2、根据采集的下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号判断是否进行运动模式的切换，若切换执行步骤S3、若不切换执行步骤S1；
S3、判断地形，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态；
S4、根据下肢外骨骼机器人的正常运动模式，判断是否需要结束步态分析(只步骤S3)，若需要结束，下肢外骨骼机器人进行姿态复原，回归到最自然、最舒适的运动姿态，否则返回步骤S1。
所述步骤S1中下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号指的是下肢外骨骼机器人开始运动时，下肢外骨骼机器人腿部关节的惯性传感器和足底的压力传感器实时采集的运动信号。
所述步骤S2中判断指的是对步骤S1采集的下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号与下肢外骨骼机器人三维位姿的设定阈值进行比较，若采集的下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号有一个大于相应方向上的下肢外骨骼机器人三维位姿的设定阈值，则表明下肢外骨骼机器人受到地形的扰动，运动模式即将进行切换，否则返回步骤S1。
所述步骤S3中判断地形，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态指的是若判断为下肢外骨骼机器人在湿滑地形运动时，利用人体的姿势反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，避免滑倒；若判断为下肢外骨骼机器人在障碍地形运动时，利用人体的屈肌反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，维持平衡稳定；若判断为下肢外骨骼机器人在斜坡地形运动时，利用人体的前庭反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，抑制倾覆和打滑；若判断为下肢外骨骼机器人在沟壑地形运动时，利用人体的跨步反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，迅速抬起踏空腿，延长踏空腿的摆动时间，增大跨距，踏空腿向前伸展，跨过沟壑，到达新的落脚点；若判断为下肢外骨骼机器人在台阶地形运动时，利用人体的牵张反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，迅速抬起前腿，向前摆动，扩大稳定区域，同时后腿向下弯曲，保证下肢外骨骼机器人的整体姿态呈大致水平，减少地面的冲击。
与现有技术相比较，本发明的优点主要表现在：
1.通过下肢外骨骼机器人腿部关节的惯性传感器和足底的压力传感器，实时采集下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号，能够快速判断下肢外骨骼机器人的运动模式，提高判断的准确性，。
2.针对湿滑地形、障碍地形、斜坡地形、沟壑地形、台阶地形，利用人体的运动反射机理，根据仿生学原理，分别建立姿态协调控制方法，以穿戴者为中心，构建共融关系，实现运动共融、姿态共融、稳定共融、环境共融，对外界地形的改变能够做出快速准确的同步协调运动。
3.本发明提高穿戴者与下肢外骨骼机器人在复杂地形的动作灵活性、运动稳定性和环境适应性，可以推广到其他穿戴式机器人，实现人机共融，具有普遍性，适用于未知的、非结构化的复杂地形。
基于上述理由本发明可在康复机器人等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的具体实施方式中下肢外骨骼机器人复杂地形的共融协调控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种下肢外骨骼机器人复杂地形的共融协调控制方法，具有如下步骤：
S1、下肢外骨骼机器人开始运动时，通过下肢外骨骼机器人腿部关节的惯性传感器和足底的压力传感器，实时采集下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号；
S2、对采集的下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号与下肢外骨骼机器人三维位姿的设定阈值进行比较，若采集的下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号有一个大于相应方向上的下肢外骨骼机器人三维位姿的设定阈值，则表明下肢外骨骼机器人受到地形的扰动，运动模式即将进行切换，否则返回步骤S1；
S3、若判断为下肢外骨骼机器人在湿滑地形运动时，利用人体的姿势反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，避免滑倒；若判断为下肢外骨骼机器人在障碍地形运动时，利用人体的屈肌反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，维持平衡稳定；若判断为下肢外骨骼机器人在斜坡地形运动时，利用人体的前庭反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，抑制倾覆和打滑；若判断为下肢外骨骼机器人在沟壑地形运动时，利用人体的跨步反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，迅速抬起踏空腿，延长踏空腿的摆动时间，增大跨距，踏空腿向前伸展，跨过沟壑，到达新的落脚点；若判断为下肢外骨骼机器人在台阶地形运动时，利用人体的牵张反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，迅速抬起前腿，向前摆动，扩大稳定区域，同时后腿向下弯曲，保证下肢外骨骼机器人的整体姿态呈大致水平，减少地面的冲击；
S4、根据下肢外骨骼机器人的正常运动模式，判断是否需要结束步态分析，若需要结束，下肢外骨骼机器人进行姿态复原，回归到最自然、最舒适的运动姿态，否则返回步骤S1。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种下肢外骨骼机器人复杂地形的共融协调控制方法，其特征在于具有如下步骤：
S1、实时采集下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号；
S2、根据采集的下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号判断是否进行运动模式的切换，若切换执行步骤S3、若不切换执行步骤S1；
S3、判断地形，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态；
S4、根据下肢外骨骼机器人的正常运动模式，判断是否需要结束步态分析，若需要结束，下肢外骨骼机器人进行姿态复原，回归到最自然、最舒适的运动姿态，否则返回步骤S1。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S1中下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号指的是下肢外骨骼机器人开始运动时，下肢外骨骼机器人腿部关节的惯性传感器和足底的压力传感器实时采集的运动信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2中判断指的是对步骤S1采集的下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号与下肢外骨骼机器人三维位姿的设定阈值进行比较，若采集的下肢外骨骼机器人三维位姿的运动信号有一个大于相应方向上的下肢外骨骼机器人三维位姿的设定阈值，则表明下肢外骨骼机器人受到地形的扰动，运动模式即将进行切换，否则返回步骤S1。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S3中判断地形，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态指的是若判断为下肢外骨骼机器人在湿滑地形运动时，利用人体的姿势反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，避免滑倒；若判断为下肢外骨骼机器人在障碍地形运动时，利用人体的屈肌反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，维持平衡稳定；若判断为下肢外骨骼机器人在斜坡地形运动时，利用人体的前庭反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，抑制倾覆和打滑；若判断为下肢外骨骼机器人在沟壑地形运动时，利用人体的跨步反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，迅速抬起踏空腿，延长踏空腿的摆动时间，增大跨距，踏空腿向前伸展，跨过沟壑，到达新的落脚点；若判断为下肢外骨骼机器人在台阶地形运动时，利用人体的牵张反射机理，在原有步态的基础上，协调下肢外骨骼机器人的运动姿态，迅速抬起前腿，向前摆动，扩大稳定区域，同时后腿向下弯曲，保证下肢外骨骼机器人的整体姿态呈大致水平，减少地面的冲击。
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