CN108888473B - 基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法 - Google Patents
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Abstract
基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，属于外骨骼关节运动控制领域，基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法具体为，力矩补偿：外骨骼处于力矩控制模式；信息采集：通过外骨骼的驱动器采集健康人典型动作时的各关节运动数据，将数据处理后，便获得各典型动作的关节运动数据参考；控制模式转换：设计基于状态机的外骨骼位置控制方法；轨迹输出：截瘫患者穿戴助行外骨骼，外骨骼主动带动患者按照参考的关节轨迹运动，同时通过状态机的状态切换实现患者在不同状态下的下肢关节运动复现。利用本发明实现的步态更加自然、舒适，本发明运动复现过程简单。穿戴式助行外骨骼关节运动的自然性、舒适性差与患者关节运动的适配性好。
Description
技术领域
本发明涉及两种下肢关节运动控制方法，具体涉及两种利用穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法。属于外骨骼关节运动控制领域。
背景技术
我国有上千万由于脑卒中、脑中风、脊髓损伤、骨外伤等原因导致截瘫或偏瘫等下肢功能丧失的患者，同时不断增长的大量下肢功能减弱的老龄人口。针对这两大类人群，穿戴式助行外骨骼以其良好的拟人性与人机交互特点被寄予极大期望，目前已经开始了小范围的临床测试，前景十分广阔。
穿戴式助行外骨骼的基本工作原理是通过驱动其主动关节带动患者的关节被动运动，从而实现运动功能的复现。目前，患者在穿戴助行外骨骼实现运动时，关节的原始运动参考数据基本上是利用基于视觉或惯性单元的运动捕捉设备采集正常人运动而得到的。不仅，需要额外购置与使用专业的运动捕捉设备，而且，存在数据采集与转换过程的近似处理、人体与外骨骼之间的运动关节异构、不同人体的不同运动方式与特征等问题，导致外骨骼生成的关节运动欠缺自然性与舒适性，与患者关节运动的适配性不高，后期需要大量的修正与优化工作。
发明内容
本发明是为解决现有穿戴式助行外骨骼关节运动的自然性、舒适性差与患者关节运动的适配性差、以及后期修正与优化工作量大的问题，进而提供一种基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法。设计两种面向不同应用情形的基于穿戴式外骨骼的下肢关节运动控制方法：面向下肢截瘫患者设计双下肢关节运动控制方法，面向下肢偏瘫患者设计健侧肢映射患侧肢的关节运动控制方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
方案一：基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，所述穿戴式助行外骨骼的控制和驱动系统包括上位机、主控制器和关节，关节包括髋关节和膝关节；
所述髋关节和膝关节所用的驱动系统分别包括传动系统、电机和驱动器；
上位机实现多种信息的采集及与主控制器的通讯；
力矩补偿：外骨骼处于力矩控制模式，各关节的电机驱动各自关节输出一定的力矩，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，健康人带动外骨骼运动；
信息采集：通过外骨骼电机驱动器采集健康人在进行站起、坐下、行走、上下楼梯典型动作时的各关节运动数据，将数据处理后，便获得各典型动作的关节运动数据参考；
控制模式转换：设计基于状态机的外骨骼位置控制方法，将获得的各典型动作的关节运动数据参考导入到状态机中，将外骨骼设置为位置控制模式，储存在程序中的关节的运动角度位置数据，通过计算转化为电机脉冲信号，通过CAN通讯发送给电机的驱动器来控制电机运动，进而完成外骨骼机器人带动下肢关节相应动作。
方案二：基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，所述穿戴式助行外骨骼的控制和驱动系统包括上位机、主控制器和关节，关节包括髋关节和膝关节；
所述髋关节和膝关节所用的驱动系统分别包括传动系统、电机和驱动器；
上位机实现多种信息的采集及与主控制器的通讯；
力矩补偿：外骨骼健侧肢处于力矩控制模式，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，外骨骼由偏瘫患者的健康侧下肢穿戴并运动；
信息采集：采集患者健康侧下肢的关节运动数据，将数据处理后，获得行走过程中患者健康侧下肢的关节运动数据参考；
控制模式切换：外骨骼的患侧下肢处于位置控制模式，将获得的健康侧下肢关节运动数据参考同步地导入到位置控制模式中；储存在程序中的关节的运动角度位置数据，通过计算转化为电机脉冲信号，通过CAN通讯发送给电机的驱动器来控制电机运动，进而完成外骨骼机器人带动下肢关节相应动作。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、采用穿戴式助行外骨骼设备本身完成数据采集，尽可能的减小了原始误差，获得的原始数据针对性强，实现的步态更加自然、舒适。
2、整个运动复现过程简单、易掌握，不需要额外设备，降低时间与经济成本。穿戴式助行外骨骼关节运动的自然性、舒适性差与患者关节运动的适配性好。
3、将穿戴式助行外骨骼“一机两用”，提供了两种/一套采集人体运动数据的方法/设备。
4、面向偏瘫人群，创新性的提出了侧肢映射患侧肢的关节运动控制方法，通过“一条腿学习自己另一条腿”思路，实现了下肢运动的在线同步映射学习，整个方法快速、简便、适用性强。
附图说明
图1为穿戴式助行外骨骼整体结构及驱动关节分布图；
图2为穿戴式助行外骨骼的驱动与控制系统组成图；
图3为本发明一个实施方式的双下肢关节运动控制方法流程图；
图4为本发明另一个实施方式的健侧肢映射患侧肢的关节运动控制方法流程图；
图5为穿戴式助行外骨骼的控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步地说明：
图1是穿戴式助行外骨骼整体结构与驱动关节分布图，整体外骨骼主要分为三大部分五个模块：一个腰背模块I，两个大腿模块II，两个小腿模块III(含脚)。外骨骼的大腿模块II与小腿模块III均有互为镜像的左右腿两部分，大腿模块II分别与腰背模块I、小腿模块III通过快速插拔连接。外骨骼有四个主动驱动关节：左腿髋关节IV，右腿髋关节V，左腿膝关节VI，左腿膝关节VII。
图2是穿戴式助行外骨骼的驱动与控制系统组成图。控制系统由上位机(PC)5、主控制器4、左腿髋关节IV，右腿髋关节V，左腿膝关节VI，左腿膝关节VII组成，上位机5与主控制器4之间通过下载器与模拟器实现信息的相互传递，主控制器4通过CAN总线与四个关节(左腿髋关节IV，右腿髋关节V，左腿膝关节VI，左腿膝关节VII)并行连接通讯，进行驱动信息的下发与检测信息的接收。
四个关节的驱动系统组成相同。具体地，以左腿髋关节IV为例，左腿髋关节IV驱动系统由左腿髋关节的传动系统IV-1、左腿髋关节的电机IV-2、左腿髋关节的驱动器IV-3三部分组成。主控制器4通过CAN总线与左腿髋关节的驱动器IV-3连接，左腿髋关节的驱动器IV-3与左腿髋关节的电机IV-2电气相连，左腿髋关节的电机IV-2与左腿髋关节的传动系统IV-1机械相连。主控制器4将控制信息发送到左腿髋关节的驱动器IV-3，并采集其反馈数据，左腿髋关节的驱动器IV-3驱动左腿髋关节的电机IV-2运动，左腿髋关节的电机IV-2带动左腿髋关节的传动系统IV-1运动，从而实现整个左腿髋关节IV的运动。其他三个关节(即右腿髋关节V，左腿膝关节VI，左腿膝关节VII)同理。
此外，说明本发明中控制系统基本的两种控制模式：力矩控制模式与位置控制模式，以左腿髋关节IV为例，选择力矩控制模式时，主控制器4通过驱动器IV-3控制电机IV-2输出一定的力矩值，使电机IV-2带动驱动关节IV保持一定的力矩；选择位置控制模式时，主控制器4通过驱动器IV-3控制电机IV-2输出一定的位置量，使电机IV-2带动驱动关节IV保持一定的位置。其余三个关节(即右腿髋关节V，左腿膝关节VI，左腿膝关节VII)同理。上位机PC的作用为可以实时观测运动时的各种数据，例如关节角度、机器人运行状态等，主要用于调试机器人，外骨骼机器人在不连接上位机的状态下运行。
参见图3和图5，一个实施方式的基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法为面向下肢截瘫患者设计双下肢关节运动控制方法，具体为：
力矩补偿：外骨骼处于力矩控制模式，各关节的电机驱动各自关节输出一定的力矩，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，健康人带动外骨骼运动；
信息采集：通过外骨骼电机驱动器采集健康人在进行站起、坐下、行走、上下楼梯典型动作时的各关节运动数据，将数据处理后，便获得各典型动作的关节运动数据参考；
控制模式转换：设计基于状态机的外骨骼位置控制方法，将获得的各典型动作的关节运动数据参考导入到状态机中，将外骨骼设置为位置控制模式，电机按照预定的位置运动；
轨迹输出：截瘫患者穿戴助行外骨骼，外骨骼主动带动患者按照参考的关节轨迹运动，同时通过状态机的状态切换实现患者在不同状态下的下肢关节运动复现。
本实施方式中运动复现是指：健康人在力矩模式下穿戴外骨骼，带动外骨骼运动，外骨骼记录下健康人运动时的各个关节角度位置数据；残疾人(截瘫患者双下肢)穿戴外骨骼后，外骨骼根据采集到的健康人运动时的关节角度数据，可以带动残疾人(截瘫患者双下肢)来实现和健康人相同的运动。
如上所述信息采集为外骨骼机器人处于力矩模式，由健康人带动外骨骼运动，由电机的驱动器采集运动时膝关节和髋关节的电机脉冲信号，通过CAN通讯的方式发送给DSP处理器或stm32单片机，并转换为关节运动角度位置数据，并以数组的形式储存到控制程序中，也可以将数据通过CAN通讯发送至上位机。
如上所述典型动作时的各关节运动数据是指左右腿髋关节和膝关节的关节角度。
如上所述数据处理采取筛选、滤波处理，筛选只是多次实验然后选出比几组较好的数据，滤波为通过低通滤波器过滤掉数据中的干扰信号。
如上所述处理得到的关节运动数据参考为左右腿髋关节和膝关节的关节角度。
如上所述状态机为将控制程序分为不同的state，即状态，例如迈左腿、迈右腿、收腿、站起、坐下等，一次只运行一个状态，通过切换不同的状态来控制外骨骼机器人来完成不同的动作。
上述将外骨骼设置为位置控制模式需要使用主控制器，上位机的作用为将程序下载到主控制器中(一次即可，之后可以直接使用)，类似于向单片机中烧录程序。
通常，主控制器为DSP处理器或stm32单片机等，同样可实现此方法。
如上所述轨迹输出是将储存在程序中的关节的运动角度位置数据，通过计算转化为电机脉冲信号，通过CAN通讯发送给电机的驱动器来控制电机运动。可以将参考的关节运动轨迹直接发送给电机驱动器，来控制电机转动进而完成外骨骼机器人的相应动作，或者可以根据不同的步长、速度等来实现不同的运动动作。
参见图4和图5，另一个实施方式的基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法为面向下肢偏瘫患者设计健侧肢映射患侧肢的关节运动控制方法，具体为：
力矩补偿：外骨骼健侧肢处于力矩控制模式，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，外骨骼由偏瘫患者的健康侧下肢穿戴并运动；
信息采集：采集患者健康侧下肢的关节运动数据，将数据处理后，获得行走过程中患者健康侧下肢的关节运动数据参考；
控制模式切换：外骨骼的患侧下肢处于位置控制模式，将获得的健康侧下肢关节运动数据参考同步地导入到位置控制模式中；偏瘫患者穿戴外骨骼，穿戴后患者的健康侧下肢对应健侧肢，偏瘫侧下肢对应患侧下肢；
轨迹输出：外骨骼穿戴于患者的偏瘫侧下肢，外骨骼以患者健康侧下肢的关节运动数据作为参考，主动带动患者按照参考的关节轨迹运动，以实现患者健康侧下肢映射患侧下肢的关节运动复现。
本实施方式中运动复现是指：健康人在力矩模式下穿戴外骨骼，带动外骨骼运动，外骨骼记录下健康人运动时的各个关节角度位置数据；残疾人(偏瘫患者偏瘫侧下肢)穿戴外骨骼后，外骨骼根据采集到的健康人运动时的关节角度数据，可以带动残疾人(偏瘫患者偏瘫侧下肢)来实现和健康人相同的运动。
如上所述信息采集为外骨骼机器人处于力矩模式，由健康人的健康侧下肢带动外骨骼运动，由电机的驱动器采集运动时膝关节和髋关节的电机脉冲信号，通过CAN通讯的方式发送给DSP处理器或stm32单片机，并转换为关节运动角度位置数据，并以数组的形式储存到控制程序中，也可以将数据通过CAN通讯发送至上位机。
如上所述健康侧下肢的关节运动数据是指髋关节和膝关节的关节角度。
如上所述数据处理在DSP处理器或stm32单片机中进行插值等计算，通过此方法可以得到患者健康侧下肢的关节运动数据参考，并可以根据此运动数据来控制偏瘫侧下肢的运动。
如上所述获得行走过程中患者健康侧下肢的关节运动数据参考是指髋关节和膝关节的关节的角度。
上述外骨骼的患侧下肢处于位置控制模式，将获得的健康侧下肢关节运动数据同步地导入到位置控制模式中是指使用主控制器，上位机的作用为将程序下载到主控制器中(一次即可，之后可以直接使用)，类似于向单片机中烧录程序。通常，主控制器为DSP处理器或stm32单片机等，同样可实现此方法。
如上所述患者健康侧下肢映射患侧下肢是指将健康侧下肢的运动“投影”到偏瘫侧下肢。
如上所述轨迹输出是将储存在程序中的关节的运动角度位置数据，通过计算转化为电机脉冲信号，通过CAN通讯发送给电机的驱动器来控制电机运动。可以将参考的关节运动轨迹直接发送给电机驱动器，来控制电机转动进而完成外骨骼机器人的相应动作，或者可以根据不同的步长、速度等来实现不同的运动动作。
需要说明的是：上述两种面向不同应用情形的基于穿戴式外骨骼的下肢关节运动控制方法的实施方式中，都是力矩模式采集数据，之后将采集的数据导入到位置控制模式实现。不同的是双下肢控制方法是采集健康人的运动数据，然后残疾人(截瘫患者)穿上外骨骼来复现健康人的运动；下肢偏瘫患者采集是残疾偏瘫患者健康侧下肢的运动数据，然后外骨骼带动偏瘫侧下肢来复现健康腿的运动。双下肢运动控制方法不是实时的，即健康者采集数据后，残疾人可以在之后的任意时间来穿上外骨骼来复现健康人的运动。但是，偏瘫侧下肢运动复现有实时性，即在一次迈步时，偏瘫侧下肢在复现上一步的健康侧下肢的运动，而此次迈腿的健康侧下肢的运动数据要采集起来，供下一步迈步时偏瘫侧下肢的复现。
上述两种面向不同应用情形的基于穿戴式外骨骼的下肢关节运动控制方法的实施方式中，力矩补偿是相同的，具体为：所述力矩补偿是建立外骨骼机器人的动力学模型，并且在运动时实时监测其关节位置、速度、加速度等数据。当健康人穿上外骨骼机器人后开始行走或者进行其他动作时，就会带动外骨骼机器人关节运动，进而带动相应的电机转动，与电机相连的驱动器就可以通过CAN通讯将各个电机的位置、速度、电流等数据发送给DSP处理器，DSP根据这些数据计算出相应的关节摩擦力矩和惯性力矩的大小，并发送给驱动器，驱动器通过调节电机电流的大小来控制电机的输出转矩，从而控制相应的关节给人体提供动力来抵消外骨骼机器人产生的摩擦力和惯性力。电机、编码器和伺服驱动器均为现有的穿戴式助行外骨骼机器人的现有设备。
外骨骼力矩控制系统最终目的是尽可能的抵消阻力，主要包括摩擦力、惯性力和重力。由于外骨骼具有较为复杂的机械结构，在重力和关节力矩之间难以建立精准的线性关系模型，故此系统设计分为摩擦力和惯性力两部分。
摩擦力补偿，在外骨骼的运动过程中，摩擦力主要由电机以及减速器、锥齿轮、钢丝绳等传动系统产生，反映到关节的力矩上，摩擦力产生的力矩与运动的方向相反。与电机相连的驱动器通过CAN通信将电机的速度v发送给DSP。
在外骨骼机器人某一关节朝向某一方向运动时，可以近似地将动摩擦力矩看成一个定值，方向和运动方向相反。因电机力矩与电机的电流值成正比，故设摩擦力补偿的力矩系数值为f。
四个关节各有前后两个方向，则共有8个值，分别为左腿膝关节正向摩擦力矩系数f1a、左腿膝关节反向摩擦力矩系数f1b、右腿膝关节正向摩擦力矩系数f2a、右腿膝关节反向摩擦力矩系数f2b、左腿髋关节正向摩擦力矩系数f3a、左腿髋关节反向摩擦力矩系数f3b、右腿髋关节正向摩擦力矩系数f4a、右腿髋关节反向摩擦力矩系数f4b。这8个数值的大小根据实验标定得出。
惯性力补偿，在外骨骼运动过程中，除摩擦力外，自身惯性力也是一个运动的不利因素，也需要尽可能的抵消。惯性力在关节处产生的惯性力矩和关节运动的加速度大小成正比，即与电机的加速度大小成正比，而电机的力矩与电流成正比，故
Ii∝a∝v-v0
式中Ii—惯性力需要补偿的力矩；
a—加速度；
v—电机当前时刻的速度；
v0—为电机前一时刻的速度。
电机的最大转速为16000r/mm，电机每转一转对于编码器的刻度为2000，则驱动器返回的最大速度为：
单位为编码器刻度/秒。
由于速度的数字较大，惯性力矩由如下计算得到：
式中，Ii为惯性力需要补偿的力矩，v为电机当前时刻的速度，v0为电机前一时刻的速度，vmax为驱动器返回的最大速度；ki为需要标定的惯性力矩比例系数，分别为左腿膝关节惯性力系数ki1、左腿膝关节惯性力系数ki2、左腿膝关节惯性力系数ki3、左腿膝关节惯性力系数ki4，这四个数值的大小根据实验标定得出。
重力补偿，在外骨骼机运动过程中，自身重力也是一个运动的不利因素，也需要尽可能的抵消。重力在关节处产生的力矩和关节当前的角度有关，由于外骨骼的小腿质量原因小于大腿的质量，因此在补偿重力时，忽略小腿的重力，仅考虑大腿重力在髋关节产生的重力力矩的补偿。重力在髋关节产生的重力力矩正比于大腿的重力以及重心和髋关节转动轴的距离。
而电机的力矩与电流成正比，故
Ig∝-mgl|sinθ|
式中Ig—重力需要补偿的力矩；
m—大腿的质量；
θ—髋关节当前时刻的角度；
l—大腿质心到髋关节转轴的距离。
故，重力力矩由如下计算得到：
Ig＝-kg×mgl|sinθ|
Ig为重力需要补偿的力矩，m为大腿的质量，θ为髋关节当前时刻的角度，l为大腿质心到髋关节转轴的距离，kg为需要标定的重力力矩比例系数。分别为左腿髋关节惯性力系数kg1、右腿髋关节惯性力系数kg2，这两个数值的大小分别根据实验标定得出。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。
Claims (4)
1.基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，
所述穿戴式助行外骨骼的控制和驱动系统包括上位机、主控制器和关节，关节包括髋关节和膝关节；
所述髋关节和膝关节所用的驱动系统分别包括传动系统、电机和驱动器；
上位机实现多种信息的采集及与主控制器的通讯；
其特征在于：所述下肢关节运动控制方法为：
力矩补偿：外骨骼处于力矩控制模式，各关节的电机驱动各自关节输出一定的力矩，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，健康人带动外骨骼运动；
惯性力矩由如下计算得到：
式中，Ii为惯性力需要补偿的力矩，v为电机当前时刻的速度，v0为电机前一时刻的速度，vmax为驱动器返回的最大速度，ki为需要标定的惯性力矩比例系数；
重力力矩由如下计算得到：
Ig＝-kg×mgl|sinθ|
式中，Ig为重力需要补偿的力矩，m为大腿的质量，θ为髋关节当前时刻的角度，l为大腿质心到髋关节转轴的距离，kg为需要标定的重力力矩比例系数；
信息采集：通过外骨骼的驱动器采集健康人在进行站起、坐下、行走、上下楼梯典型动作时的各关节运动数据，将数据处理后，便获得各典型动作的关节运动数据参考；
控制模式转换：设计基于状态机的外骨骼位置控制方法，将获得的各典型动作的关节运动数据参考导入到状态机中，将外骨骼设置为位置控制模式，储存在程序中的关节的运动角度位置数据，通过计算转化为电机脉冲信号，通过CAN通讯发送给电机的驱动器来控制电机运动，进而完成外骨骼机器人带动下肢关节相应动作。
2.根据权利要求1所述基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，所述穿戴式助行外骨骼的控制和驱动系统包括上位机、主控制器和关节，关节包括髋关节和膝关节；
所述髋关节和膝关节所用的驱动系统分别包括传动系统、电机和驱动器；
上位机实现多种信息的采集及与主控制器的通讯；
其特征在于：所述下肢关节运动控制方法为：
力矩补偿：外骨骼健侧肢处于力矩控制模式，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，外骨骼由偏瘫患者的健康侧下肢穿戴并运动；
信息采集：采集患者健康侧下肢的关节运动数据，将数据处理后，获得行走过程中患者健康侧下肢的关节运动数据参考；
控制模式切换：外骨骼的患侧下肢处于位置控制模式，将获得的健康侧下肢关节运动数据参考同步地导入到位置控制模式中；储存在程序中的关节的运动角度位置数据，通过计算转化为电机脉冲信号，通过CAN通讯发送给电机的驱动器来控制电机运动，进而完成外骨骼机器人带动下肢关节相应动作。
3.根据权利要求1或2所述基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，其特征在于：力矩补偿是指建立外骨骼机器人的动力学模型，并且在运动时实时监测其关节位置、速度、加速度等数据，当健康人穿上外骨骼后开始行走等动作时，就会带动外骨骼关节运动，进而带动相应的电机转动，驱动器通过CAN通讯将各个电机的位置、速度、电流等数据发送给主控制器，主控制器根据这些数据计算出相应的关节摩擦力矩和惯性力矩的大小，并发送给驱动器，驱动器通过调节电机电流的大小来控制电机的输出转矩，从而控制相应的关节给人体提供动力来抵消外骨骼机器人产生的摩擦力和惯性力。
4.根据权利要求3所述基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，其特征在于：所述主控制器为DSP处理器或stm32单片机。
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