CN109048868B - 下肢外骨骼机器人系统及其随动角度检测装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种下肢外骨骼机器人系统及其随动角度检测装置及控制方法，属于康复医疗器械的技术领域。所述装置包括壳体11、线位移传感器12、滑块13及导轨14，所述导轨14固定在所述壳体11上，所述壳体11用于固定在下肢外骨骼机器人的下肢上，所述滑块13用于固定在下肢外骨骼机器人的绑带上，且在外力作用下沿所述导轨14滑动，所述导轨14沿所述绑带的切线方向延伸，所述线位移传感器12用于检测所述滑块13的位移。该装置结构简单、可靠性强，且由于滑块与下肢外骨骼机器人的连接方式简单，便于拆卸更替，且该装置对外骨骼机器人的构造无特殊要求，因而具有适用面广、成本低的优点。

Description

下肢外骨骼机器人系统及其随动角度检测装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种下肢外骨骼机器人系统及其随动角度检测装置及控制方法，属于机器人或康复医疗器械的技术领域。
背景技术
下肢外骨骼机器人可以为穿戴者提供运动动力，提高人类的力量，增强残障人群的运动能力，同时也可以起到康复训练的作用。随动检测装置主要是获取外骨骼机器人与人体之间的交互信息，也是外骨骼机器人应用的一大难点，人机交互随动检测的准确性和有效性，是保证外骨骼机器人柔顺随动的关键。
目前，人机交互随动检测方法包括基于压力传感器的方法、基于气囊传感器的方法、基于弹性体的方法。
基于压力传感器的检测方法是在外骨骼与人体绑带处安装压力传感器获取交互力信息。
基于气囊传感器的检测方法是在外骨骼与人体绑带里安装气囊，通过压强传感器检测气囊压强变化，从而获得交互力信息。
基于弹性体的检测方法在外骨骼与人体绑带处安装弹性体，通过绑缚杆带动弹性体，由编码器检测弹性体形变，从而获得交互力信息。
基于压力传感器的方法：由于人体肌肉为软体组织，此法不仅检测交互力有不稳定性，且对于交互力检测的准确性和人体舒适性等方面存在缺陷。
基于气囊传感器的方法：有气囊漏气、腿部绑缚松紧程度不一致等缺陷，限制了外骨骼的适用性。
基于弹性体的方法：在外骨骼和人体之间增加了绑缚杆，绑缚杆一端通过轴承组件与外骨骼膝关节位置转动连接，另一端固定在绑带上，绑带为弹性材质能够随人体运动而发生形变，从而带动绑缚杆转动，通过测量绑缚杆的转动角度即可确定外骨骼随动角度。由于绑缚杆与膝关节位置连接采用的轴承结构复杂、拆装困难，且仅适用于特殊结构的外骨骼机器人。
发明内容
本发明提供了一种下肢外骨骼机器人系统及其随动角度检测装置及控制方法，该装置结构简单、可靠性强，且由于滑块与下肢外骨骼机器人的连接方式简单，便于拆卸更替，且该装置对外骨骼机器人的构造无特殊要求，因而具有适用面广、成本低的优点。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置，包括壳体11、线位移传感器12、滑块13及导轨14，所述导轨14固定在所述壳体11上，所述壳体11用于固定在下肢外骨骼机器人的下肢上，所述滑块13用于固定在下肢外骨骼机器人的绑带上，且在外力作用下沿所述导轨14滑动，所述导轨14沿所述绑带的切线方向延伸，所述线位移传感器12用于检测所述滑块13的位移。
在一可选实施例中，所述的一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置，还包括第一弹性件15和第二弹性件16，所述第一弹性件15和第二弹性件16分别位于所述滑块13的两侧，当所述滑块13位于初始位置时，所述第一弹性件15和第二弹性件16处于自然状态，当所述滑块13偏离所述初始位置时，所述第一弹性件15和第二弹性件16发生形变。
在一可选实施例中，所述的一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置，还包括滑竿18，所述滑竿18平行与所述导轨14，所述滑块13穿过所述滑竿18，所述第一弹性件15和第二弹性件16均为弹簧，且套设在所述滑竿18上。
在一可选实施例中，所述的一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置，还包括连接板17，所述滑块13通过所述连接板17与所述绑带连接，所述连接板17沿竖直方向的长度大于所述滑块13的长度。
一种下肢外骨骼机器人系统，包括下肢外骨骼机器人及至少两组随动角度检测装置，所述随动角度检测装置包括壳体11、线位移传感器12、滑块13及导轨14，所述导轨14固定在所述壳体11上，所述壳体11用于固定在下肢外骨骼机器人的下肢上，所述滑块13用于固定在下肢外骨骼机器人的绑带上，且在外力作用下沿所述导轨14滑动，所述导轨14沿所述绑带的切线方向延伸，所述线位移传感器12用于检测所述滑块13的位移。
在一可选实施例中，所述随动角度检测装置还包括第一弹性件15和第二弹性件16，所述第一弹性件15和第二弹性件16分别位于所述滑块13的两侧，当所述滑块13位于初始位置时，所述第一弹性件15和第二弹性件16处于自然状态，当所述滑块13偏离所述初始位置时，所述第一弹性件15和第二弹性件16发生形变。
在一可选实施例中，所述随动角度检测装置还包括滑竿18，所述滑竿18平行与所述导轨14，所述滑块13穿过所述滑竿18，所述第一弹性件15和第二弹性件16均为弹簧，且套设在所述滑竿18上。
在一可选实施例中，所述随动角度检测装置还包括连接板17，所述滑块13通过所述连接板17与所述绑带连接，所述连接板17沿竖直方向的长度大于所述滑块13的长度。
在一可选实施例中，包括四组所述随动角度检测装置，分别用于与下肢外骨骼机器人左小腿、右小腿、左大腿及右大腿固定。
一种下肢外骨骼机器人系统控制方法，包括：
获取随动角度检测装置测得的位移信息，所述随动角度检测装置，包括壳体11、线位移传感器12、滑块13及导轨14，所述导轨14固定在所述壳体11上，所述壳体11用于固定在下肢外骨骼机器人的下肢上，所述滑块13用于固定在下肢外骨骼机器人的绑带上，且在外力作用下沿所述导轨14滑动，所述导轨14沿所述绑带的切线方向延伸，所述线位移传感器12用于检测所述滑块13的位移；
根据所述位移信息确定膝关节和/或髋关节的随动角度；
根据所述随动角度控制下肢外骨骼机器人随动。
在一可选实施例中，所述根据所述位移信息确定膝关节和/或髋关节的随动角度，包括：
根据下式确定膝关节和/或髋关节的随动角度：
Figure BDA0001809513570000041
其中，θ为膝关节和/或髋关节的随动角度，α为膝关节和/或髋关节角度测量值；x为所述随动角度检测装置位移测量值；XS为人体腿部抖动引起所述随动角度检测装置位移最大变化量，为固定值；KP为比例系数，为固定值。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明实施例提供的一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置，通过测量滑块在导轨上的位移量确定下肢外骨骼机器人的随动角度，该装置结构简单、可靠性强，且由于滑块与下肢外骨骼机器人的连接方式简单，便于拆卸更替，且该装置对外骨骼机器人的构造无特殊要求，因而具有适用面广、成本低的优点；
(2)通过所述第一弹性件和第二弹性件产生的形变，测量下肢外骨骼机器人与人体之间的交互力，针对不同的使用需求(例如助力或康复)，可方便地更替不同弹性系数的弹性件，使穿戴者的体验更为舒适；
(3)所述滑竿对所述第一弹性件和第二弹性件的运动产生约束，使得所述第一弹性件和第二弹性件的形变沿平行与所述导轨的方向产生，防止第一弹性件和第二弹性件的攒动，因而具有准确度高、可靠性强的优点；
(4)所述连接板延展了绑带与下肢外骨骼机器人的连接面积，减小了下肢外骨骼机器人对人体表面的压强作用，具有良好的安全性；
(5)本发明实施例提供的一种下肢外骨骼机器人系统控制方法，通过调节比例系数KP的值，控制下肢外骨骼机器人系统的灵敏度和精度，适用于下肢外骨骼机器人的不同应用需求；利用人体腿部抖动引起所述随动角度检测装置位移最大变化量XS，设置控制死区区间，避免下肢外骨骼机器人稳态时的抖动，因而具有灵敏度高、鲁棒性强、适用面广的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种下肢外骨骼机器人系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的工作原理和工作过程做进一步解释和说明。
参见图1，本发明实施例提供了一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置，所述下肢外骨骼机器人包括下肢和绑带，所述装置包括壳体11、线位移传感器12、滑块13及导轨14，所述导轨14固定在所述壳体11上，参见图2，所述壳体11用于固定在下肢外骨骼机器人的下肢上，例如与机器人大腿固定或机器人小腿固定，具体可以通过紧固件、铆接、粘接等方式固定，所述滑块13用于固定在下肢外骨骼机器人的绑带上，所述绑带用于与人体相应的大腿或小腿固定，所述滑块13在外力作用下沿所述导轨14滑动，所述导轨14沿所述绑带的切线方向延伸，即沿人体大腿外侧且垂直于大腿的方向延伸，所述线位移传感器12用于检测所述滑块13的位移。
当下肢外骨骼机器人处于支撑稳定态时(例如站立稳定态)，滑块13处于导轨14的中部位置，当人体动作(例如下蹲)时，滑块13偏离中部位置向左或向右移动，根据位移传感器12测得的位移即可获知人体与下肢外骨骼机器人的偏离角度，从而控制下肢外骨骼随动，使其重新回归支撑稳定态。
本发明实施例提供的一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置，通过测量滑块在导轨上的位移量确定下肢外骨骼机器人的随动角度，该装置结构简单、可靠性强，且由于滑块与下肢外骨骼机器人的连接方式简单，便于拆卸更替，且该装置对外骨骼机器人的构造无特殊要求，因而具有适用面广、成本低的优点。
如图1所示，在一可选实施例中，所述的一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置，还包括第一弹性件15和第二弹性件16，所述第一弹性件15和第二弹性件16可以为弹簧、橡胶垫、聚氨酯缓冲垫等弹性件，所述第一弹性件15和第二弹性件16分别位于所述滑块13的两侧，当所述滑块13位于初始位置时，所述第一弹性件15和第二弹性件16处于自然状态，当所述滑块13偏离所述初始位置时，所述第一弹性件15和第二弹性件16发生形变。通过所述第一弹性件15和第二弹性件16产生的形变，所述一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置还可测量下肢外骨骼机器人与人体之间的交互力，针对不同的使用需求(例如助力或康复)，可方便地更替不同弹性系数的弹性件，使穿戴者的体验更为舒适。
如图1所示，在一可选实施例中，一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置还包括滑竿18，所述滑竿18平行与所述导轨14，所述滑块13穿过所述滑竿18，所述第一弹性件15和第二弹性件16均为弹簧，且套设在所述滑竿18上。所述滑竿18对所述第一弹性件15和第二弹性件16的运动产生约束，使得所述第一弹性件15和第二弹性件16的形变沿平行与所述导轨14的方向产生，防止第一弹性件15和第二弹性件的攒动，因而具有准确度高、可靠性强的优点。
如图1所示，在一可选实施例中，所述的一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置，还包括连接板17，所述滑块13通过所述连接板17与所述绑带连接，所述连接板17沿竖直方向的长度大于所述滑块13的长度，优选与绑带宽度一致。所述连接板17延展了绑带与下肢外骨骼机器人的连接面积，减小了下肢外骨骼机器人对人体表面的压强作用，具有良好的安全性。
参见图1，本发明实施例还提供了一种下肢外骨骼机器人系统，包括下肢外骨骼机器人及至少两组随动角度检测装置，所述随动角度检测装置包括壳体11、线位移传感器12、滑块13及导轨14，所述导轨14固定在所述壳体11上，所述壳体11用于固定在下肢外骨骼机器人的下肢上，所述滑块13用于固定在下肢外骨骼机器人的绑带上，且在外力作用下沿所述导轨14滑动，所述导轨14沿所述绑带的切线方向延伸，所述线位移传感器12用于检测所述滑块13的位移。
进一步地，所述随动角度检测装置还包括第一弹性件15和第二弹性件16，所述第一弹性件15和第二弹性件16分别位于所述滑块13的两侧，当所述滑块13位于初始位置时，所述第一弹性件15和第二弹性件16处于自然状态，当所述滑块13偏离所述初始位置时，所述第一弹性件15和第二弹性件16发生形变。
进一步地，所述随动角度检测装置还包括滑竿18，所述滑竿18平行与所述导轨14，所述滑块13穿过所述滑竿18，所述第一弹性件15和第二弹性件16均为弹簧，且套设在所述滑竿18上。
进一步地，所述随动角度检测装置还包括连接板17，所述滑块13通过所述连接板17与所述绑带连接，所述连接板17沿竖直方向的长度大于所述滑块13的长度。
本实施例所采用的随动角度检测装置由上述装置实施例提供，具体描述及效果参见上述装置实施例，在此不再赘述。
本发明实施例还提供了一种下肢外骨骼机器人系统控制方法，包括：
步骤101：获取随动角度检测装置测得的位移信息，所述随动角度检测装置，包括壳体11、线位移传感器12、滑块13及导轨14，所述导轨14固定在所述壳体11上，所述壳体11用于固定在下肢外骨骼机器人的下肢上，所述滑块13用于固定在下肢外骨骼机器人的绑带上，且在外力作用下沿所述导轨14滑动，所述导轨14沿所述绑带的切线方向延伸，所述线位移传感器12用于检测所述滑块13的位移；
步骤102：根据所述位移信息确定膝关节和/或髋关节的随动角度；
步骤103：根据所述随动角度控制下肢外骨骼机器人随动。
在一可选实施例中，所述根据所述位移信息确定膝关节和/或髋关节的随动角度，包括：
根据下式确定膝关节和/或髋关节的随动角度：
Figure BDA0001809513570000081
其中，θ为膝关节和/或髋关节的随动角度，α为膝关节和/或髋关节角度测量值；x为所述随动角度检测装置位移测量值；XS为人体腿部抖动引起所述随动角度检测装置位移最大变化量，为固定值；KP为比例系数，为固定值。
本发明实施例提供的一种下肢外骨骼机器人系统控制方法，通过调节比例系数KP的值，控制下肢外骨骼机器人系统的灵敏度和精度，适用于下肢外骨骼机器人的不同应用需求。利用人体腿部抖动引起所述随动角度检测装置位移最大变化量XS，设置控制死区区间，避免下肢外骨骼机器人稳态时的抖动，因而具有灵敏度高、鲁棒性强、适用面广的优点。
以下为本发明的一具体实施例：
如图2所示，本实施例提供了一种下肢外骨骼机器人系统，包括下肢外骨骼机器人及随动角度检测装置，其中：
随动角度检测装置包括壳体11、线位移传感器12、滑块13、导轨14、第一弹性件15、第二弹性件16、连接板17。连接板17与滑块13螺纹固定，滑块13与线位移传感器12的电刷固定连接，滑块13延导轨14滑动，带动线位移传感器12电阻值变化。初始状态下，滑块13在第一弹性件15和第二弹性件16作用下处于导轨14中间位置，滑块13向导轨两边移动，第一弹性件15和第二弹性件16长度改变，滑块13所受阻力增大。本实施例中，第一弹性件15和第二弹性件16均为弹簧。
如图2所示下肢外骨骼机器人包括：左小腿110、右小腿111、左大腿112、右大腿113、左膝关节114、右膝关节115、左髋关节116、右髋关节117。下肢外骨骼机器人左小腿110固定安装第一随动角度检测装置101，下肢外骨骼机器人右小腿111固定安装第二随动角度检测装置102，下肢外骨骼机器人左大腿112固定安装第三随动角度检测装置103，下肢外骨骼机器人右大腿113固定安装第四随动角度检测装置104，第一随动角度检测装置101、第二随动角度检测装置102、第三随动角度检测装置103、第四随动角度检测装置104的壳体11分别与下肢外骨骼机器人左小腿110、右小腿111、左大腿112、右大腿113内侧螺纹固定连接，第一随动角度检测装置101、第二随动角度检测装置102、第三随动角度检测装置103、第四随动角度检测装置104与穿戴者的腿部绑带连接。下肢外骨骼机器人通过左小腿绑带120、右小腿绑带121、左大腿绑带122、右大腿绑带123、左鞋底绑带124、右鞋底绑带125、腰带126和背带127与穿戴者连接，膝关节驱动系统A驱动左膝关节114、右膝关节115旋转，髋关节驱动系统B驱动左髋关节116、右髋关节117旋转。
以左小腿为例，支撑态下，当穿戴者的左膝关节(114)角度(小腿与大腿夹角)减小时，穿戴者左小腿带动绑带120，绑带120带动第一随动角度检测装置101的滑块13延导轨14向右滑动；当穿戴者的左膝关节(114)角度(小腿与大腿夹角)增大时，穿戴者左腿带动绑带120，绑带120带动滑第一随动角度检测装置101的滑块13延导轨14向左滑动。
以左大腿为例，支撑态下，当穿戴者的左髋关节(116)角度(大腿与躯干夹角)减小时，穿戴者左大腿带动绑带122，绑带122带动第三随动角度检测装置103的滑块13延导轨14向右滑动；当穿戴者的左髋关节(116)角度增大时，穿戴者左腿带动绑带122，绑带122带动第三随动角度检测装置103的滑块13延导轨14向左滑动。
膝关节驱动系统A和髋关节驱动系统B的控制指令为：
Figure BDA0001809513570000101
其中，θ为膝关节和/或髋关节的随动角度，α为膝关节和/或髋关节角度测量值；x为所述随动角度检测装置位移测量值；XS为人体腿部抖动引起所述随动角度检测装置位移测量值最大变化量，为固定值；KP为比例系数，为固定值。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置，其特征在于，包括壳体(11)、线位移传感器(12)、滑块(13)及导轨(14)，所述导轨(14)固定在所述壳体(11)上，所述壳体(11)用于固定在下肢外骨骼机器人的下肢上，所述滑块(13)用于固定在下肢外骨骼机器人的绑带上，且在外力作用下沿所述导轨(14)滑动，所述导轨(14)沿所述绑带的切线方向延伸，所述线位移传感器(12)用于检测所述滑块(13)的位移，根据所述位移信息确定膝关节和/或髋关节的随动角度，包括：
根据下式确定膝关节和/或髋关节的随动角度：
Figure FDA0002466137740000011
其中，θ为膝关节和/或髋关节的随动角度，α为膝关节和/或髋关节角度测量值；x为所述随动角度检测装置位移测量值；XS为人体腿部抖动引起所述随动角度检测装置位移最大变化量，为固定值；KP为比例系数，为固定值。
2.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置，其特征在于，还包括第一弹性件(15)和第二弹性件(16)，所述第一弹性件(15)和第二弹性件(16)分别位于所述滑块(13)的两侧，当所述滑块(13)位于初始位置时，所述第一弹性件(15)和第二弹性件(16)处于自然状态，当所述滑块(13)偏离所述初始位置时，所述第一弹性件(15)和第二弹性件(16)发生形变。
3.根据权利要求2所述的一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置，其特征在于，还包括滑竿(18)，所述滑竿(18)平行于 所述导轨(14)，所述滑块(13)穿过所述滑竿(18)，所述第一弹性件(15)和第二弹性件(16)均为弹簧，且套设在所述滑竿(18)上。
4.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人随动角度检测装置，其特征在于，还包括连接板(17)，所述滑块(13)通过所述连接板(17)与所述绑带连接，所述连接板(17)沿竖直方向的长度大于所述滑块(13)的长度。
5.一种下肢外骨骼机器人系统，包括下肢外骨骼机器人及至少两组随动角度检测装置，其特征在于，所述随动角度检测装置包括壳体(11)、线位移传感器(12)、滑块(13)及导轨(14)，所述导轨(14)固定在所述壳体(11)上，所述壳体(11)用于固定在下肢外骨骼机器人的下肢上，所述滑块(13)用于固定在下肢外骨骼机器人的绑带上，且在外力作用下沿所述导轨(14)滑动，所述导轨(14)沿所述绑带的切线方向延伸，所述线位移传感器(12)用于检测所述滑块(13)的位移；根据所述位移信息确定膝关节和/或髋关节的随动角度，包括：
根据下式确定膝关节和/或髋关节的随动角度：
Figure FDA0002466137740000021
其中，θ为膝关节和/或髋关节的随动角度，α为膝关节和/或髋关节角度测量值；x为所述随动角度检测装置位移测量值；XS为人体腿部抖动引起所述随动角度检测装置位移最大变化量，为固定值；KP为比例系数，为固定值。
6.根据权利要求5所述的一种下肢外骨骼机器人系统，其特征在于，所述随动角度检测装置还包括第一弹性件(15)和第二弹性件(16)，所述第一弹性件(15)和第二弹性件(16)分别位于所述滑块(13)的两侧，当所述滑块(13)位于初始位置时，所述第一弹性件(15)和第二弹性件(16)处于自然状态，当所述滑块(13)偏离所述初始位置时，所述第一弹性件(15)和第二弹性件(16)发生形变。
7.根据权利要求6所述的一种下肢外骨骼机器人系统，其特征在于，所述随动角度检测装置还包括滑竿(18)，所述滑竿(18)平行于所述导轨(14)，所述滑块(13)穿过所述滑竿(18)，所述第一弹性件(15)和第二弹性件(16)均为弹簧，且套设在所述滑竿(18)上。
8.根据权利要求5所述的一种下肢外骨骼机器人系统，其特征在于，所述随动角度检测装置还包括连接板(17)，所述滑块(13)通过所述连接板(17)与所述绑带连接，所述连接板(17)沿竖直方向的长度大于所述滑块(13)的长度。
9.根据权利要求5所述的一种下肢外骨骼机器人系统，其特征在于，包括四组所述随动角度检测装置，分别用于与下肢外骨骼机器人左小腿、右小腿、左大腿及右大腿固定。
10.一种下肢外骨骼机器人系统控制方法，其特征在于，包括：
获取随动角度检测装置测得的位移信息，所述随动角度检测装置，包括壳体(11)、线位移传感器(12)、滑块(13)及导轨(14)，所述导轨(14)固定在所述壳体(11)上，所述壳体(11)用于固定在下肢外骨骼机器人的下肢上，所述滑块(13)用于固定在下肢外骨骼机器人的绑带上，且在外力作用下沿所述导轨(14)滑动，所述导轨(14)沿所述绑带的切线方向延伸，所述线位移传感器(12)用于检测所述滑块(13)的位移；
根据所述位移信息确定膝关节和/或髋关节的随动角度，包括：
根据下式确定膝关节和/或髋关节的随动角度：
Figure FDA0002466137740000031
其中，θ为膝关节和/或髋关节的随动角度，α为膝关节和/或髋关节角度测量值；x为所述随动角度检测装置位移测量值；XS为人体腿部抖动引起所述随动角度检测装置位移最大变化量，为固定值；KP为比例系数，为固定值；
根据所述随动角度控制下肢外骨骼机器人随动。
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