CN110237499B - 一种人体下肢万向运动装置及其控制方法 - Google Patents

一种人体下肢万向运动装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种人体下肢万向运动装置，包括：控制中心及分别与控制中心无线连接的人体下肢姿态测量机构和平面连杆装置；所述人体下肢姿态测量机构固定在人体两条腿上，用于实时测量人体下肢运动姿态并传输给控制中心；控制中心根据所述人体下肢姿态测量机构测量的人体下肢运动姿态确定摆动足和落地足的相对位置并向平面连杆装置发送实时追踪指令；所述平面连杆装置水平设置在所述人体下肢姿态测量机构下方的水平地面上，用于根据控制中心发送的实时追踪指令实时追踪摆动足的落脚点；使用时先确定落地足和摆动足的坐标；再计算摆动足所在平面连杆的期望关节角速度和关节转角，最后控制摆动足所在连杆上的托盘实时追踪摆动足在水平面的投影点。

Description

一种人体下肢万向运动装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及人体下肢运动装置，具体涉及一种人体下肢万向运动装置及其控制方法。
背景技术
沉浸式交互体验设备是虚拟现实技术的发展热点之一，人体下肢万向运动设备能够使穿戴者在任意方向自由跑动，使其具备“虚拟”环境下的无限运动空间，在虚拟现实、军事训练、远程交互等领域具有极大的应用前景。
传统跑步机只能使得人体沿着传送带的运动方向运动，无法改变运动方向。万向跑步机使人体能够在360度范围内任意改变运动方向，使人体具有无限运动的自由。此外，万向跑步机可以检测出人体下肢运动步态，将步态信息反馈到虚拟场景，可实现人机交互，因此特别适用于虚拟现实领域。
目前世界上具有代表性的万向跑步机是美国的OMNI跑步机，该跑步机底座为凹面，使用者穿戴特制的低摩擦力鞋子，同时需要在腰部固定安全带以避免滑倒。当人体足部落在跑步机底座上时，人体会向前方倾斜，通过腰部固定的安全带，可维持人体平衡。此外，低摩擦力鞋子的鞋面上安装了LED灯，通过图像检测装置实现人体足部运动轨迹的监测。OMNI跑步机是一种被动式跑步机，其底座为固定结构，虽然其原理较为简单，但是由于人体运动过程中需要倾斜身体，必须依靠腰部支撑架维持身体平衡。由于使用者的腰或者大腿被固定为身体重心支点，会使得人体跑动中没有脚踩实地的感觉，因此虚拟沉浸感不足，此外OMNI跑步机只采用图像识别方式跟踪人体脚部运动轨迹，无法检测到人体下肢姿态。中国专利CN104874152A公开了一种万向跑步器械，其原理类似OMNI万向跑步机，该专利中描述的万向跑步器械具有中心平台和环形的万向跑步台，万向跑步台一体连接于中心平台外围，万向跑步台上表面布满若干滚动件，滚动件能够原地转动且具有朝向中心平台的滚动方向，万向跑步台上装有环形的人体支撑架，使用过程中通过环形的人体支撑架将人体限制在一个狭窄区域，常常会使人体因支撑组件的设置而歪斜，并且无法下蹲。中国专利CN201737341U公开了一种球形万向跑步机，由球形舱、底座、三台驱动装置组成，使用时人体在球形舱内跑动，电机驱动球形舱跟随人体向任意方向滚动，从而使人体能够连续跑动，这种装置的缺点是其体积巨大，使用不便。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种人体下肢万向运动装置及其控制方法，该装置体积小且兼具人体下肢姿态检测功能，并且无需额外设置腰部支撑架即可维持人体平衡，能够使人体在较大的活动空间内主动式的实现下肢万向运动。
本发明的万向运动装置的技术方案为：一种人体下肢万向运动装置，包括：控制中心及分别与控制中心无线连接的人体下肢姿态测量机构和平面连杆装置；所述人体下肢姿态测量机构固定在人体两条腿上，用于实时测量人体下肢运动姿态并传输给控制中心；控制中心根据所述人体下肢姿态测量机构测量的人体下肢运动姿态确定摆动足和落地足的相对位置并向平面连杆装置发送实时追踪指令；所述平面连杆装置水平设置在所述人体下肢姿态测量机构下方的水平地面上，用于根据控制中心发送的实时追踪指令实时追踪摆动足的落脚点。
作为一种优选方案，所述人体下肢姿态测量机构包括人体下肢姿态测量机构A、人体下肢姿态测量机构B和腰连接杆；
所述人体下肢姿态测量机构A和人体下肢姿态测量机构B均包括依次相连的腰关节件、髋关节件、大腿连接杆、膝关节件、小腿连接杆、踝关节件及脚底连接件；所述人体下肢姿态测量机构A通过其上的腰关节件和所述腰连接杆的一端相连，所述人体下肢姿态测量机构B通过其上的腰关节件和所述腰连接杆的另一端相连。
作为一种优选方案，预设腰关节件具有两个自由度、髋关节件具有一个自由度、膝关节件具有一个自由度、踝关节件具有两个自由度，同时，在踝关节件、膝关节件、髋关节件、腰关节件的每个自由度处分别安装角度测量元件，所述角度测量元件与控制中心无线连接，用于实时测量相邻部件之间相对运动的角度并无线传输给控制中心。
作为一种优选方案，所述平面连杆装置包括连杆底座及对称设置在连杆底座同一侧的左平面连杆和右平面连杆，所述左平面连杆和右平面连杆分别与人体下肢的左脚和右脚对应，当左脚为摆动足时，所述左平面连杆实时追踪左脚的落地点，当右脚为摆动足时，所述右平面连杆实时追踪右脚的落地点。
作为一种优选方案，所述左平面连杆包括依次相连的左肩关节、左肩连杆、左肘关节、左肘连杆和左托盘；所述右平面连杆包括依次相连的右肩关节、右肩连杆、右肘关节、右肘连杆和右托盘；所述左平面连杆通过其上的左肩关节与所述连杆底座相连，所述右平面连杆通过其上的右肩关节与所述连杆底座相连；所述左肩关节、左肘关节、右肩关节和右肘关节均为转动部件，所述左肩连杆绕左肩关节转动，左肘连杆绕左肘关节转动，右肩连杆绕右肩关节转动，右肘连杆绕右肘关节转动；所述左托盘或右托盘用于承托落地足。
作为一种优选方案，所述左肩关节、左肘关节和左托盘分别与控制中心无线连接，所述右肩关节、右肘关节和右托盘分别与控制中心无线连接；
所述左肩关节上设置左肩电机和左肩角度传感器，左肘关节上设置左肘电机和左肘角度传感器，左托盘包括左托盘架、左万向轮和左压力传感器；
所述左肩角度传感器用于实时测量左肩连杆相对于连杆底座的角度变化，所述左肘角度传感器用于实时测量左肘连杆相对于左肩连杆的角度变化，所述左压力传感器用于实时测量左托盘架上的压力PL；
所述左肩关节和左肘关节将测得的角度信息及左压力传感器测得的压力PL无线传输给控制中心；
所述右肩关节上设置右肩电机和右肩角度传感器，右肘关节上设置右肘电机和右肘角度传感器，右托盘包括右托盘架、右万向轮和右压力传感器；
所述右肩角度传感器用于实时测量右肩连杆相对于连杆底座的角度变化，右肘角度传感器用于实时测量右肘连杆相对于右肩连杆的角度变化，右压力传感器用于实时测量右托盘架上的压力PR；
所述右肩关节和右肘关节将测得的角度信息及右压力传感器测得的压力PR无线传输给控制中心；
控制中心根据PL和PR的数值大小确定落地足和摆动足，进而控制摆动足所在侧的电机驱动相应的连杆运动。
作为一种优选方案，当摆动足为左脚时，所述左肩电机驱动左肩连杆运动，左肘电机驱动左肘连杆运动，进而带动左托盘实时追踪左脚并作为左脚的落地脚；当摆动足为右脚时，所述右肩电机驱动右肩连杆运动，所述右肘电机驱动右肘连杆运动，进而带动右托盘实时追踪右脚并作为右脚的落地脚。
本发明的万向运动装置的控制方法的技术方案为：一种人体下肢万向运动装置的控制方法，它对权利要求7所述的万向运动装置进行控制，包括：
步骤一、通过左压力传感器和右压力传感器确定落地足和摆动足；
步骤二、以连杆底座为X轴，连杆底座的中心为坐标原点建立坐标系并计算落地足和摆动足的坐标；
步骤三、根据摆动足的坐标计算摆动足投影点相对连杆底座的速度矢量，并转化为落地足所在平面连杆的期望关节角速度；
步骤四、计算摆动足所在平面连杆的期望关节转角；
步骤五、通过控制中心控制落地足所在平面连杆的关节角速度达到步骤三解算出的期望关节角速度；同时，控制摆动足所在平面连杆的关节转角达到步骤四解算出的期望关节转角，使摆动足所在连杆上的托盘实时追踪摆动足在水平面的投影点。
作为一种优选方案，所述步骤二中的坐标系的X轴正向从左肩关节的几何中心指向右肩关节的几何中心，Y轴正向垂直于X轴并指向左托盘和右托盘所在侧，Z轴正向与X轴、Y轴的正向满足右手螺旋法则；
令左肩关节和右肩关节的几何中心之间的距离为L，左肩连杆、右肩连杆、左肘连杆和右肘连杆的长度均为Lg；
通过角度传感器采集落地足所在平面连杆的肩关节角度θ1，肘关节角度θ2，其中，θ1为肩连杆从X轴正向绕Z轴转动的角度，θ2为肘连杆从肩连杆绕Z轴转动的角度，角度正负的规定满足右手螺旋法则；
所述步骤二中落地足的坐标为：
Figure GDA0002518513240000041
当落地足位于左平面连杆时，公式(1)中x0＝Lgcosθ1+Lgcos(θ1+θ2)-L/2，当落地足位于右平面连杆时，公式(1)中x0＝Lgcosθ1+Lgcos(θ1+θ2)+L/2；
令人体下肢姿态测量机构中的脚底连接件长度为s；
摆动足的坐标为：
Figure GDA0002518513240000051
其中，P为摆动足几何中心在支撑腿脚底连接件的坐标系中的坐标矢量；
令落地足所在连杆的肩连杆和肘连杆的期望关节角速度分别为
Figure GDA0002518513240000052
所述步骤三中期望关节角速度的表达式为：
Figure GDA0002518513240000053
令摆动足所在平面连杆的肩关节的期望转角为θ1r，其肘关节的期望转角θ2r，所述步骤四中期望关节转角的表达式为：
Figure GDA0002518513240000054
其中，θ4为中间变量，
Figure GDA0002518513240000055
a＝Lg-Lg cosθ4，b＝Lg sinθ4，x′s＝xs+L/2。
作为一种优选方案，所述坐标矢量P通过如下方法计算得到：
(1)计算摆动足几何中心在摆动腿的踝关节件的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA0002518513240000056
其中，
Figure GDA0002518513240000057
s1为摆动腿脚底连接件的长度，
Figure GDA00025185132400000511
s2为摆动腿踝关节件的径向长度，
Figure GDA0002518513240000058
和
Figure GDA0002518513240000059
均为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA00025185132400000510
上式中的β0和β1分别为踝关节件两个自由度的转角；
(2)计算摆动足几何中心在摆动腿的膝关节件的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA0002518513240000061
其中，
Figure GDA0002518513240000062
s3为摆动腿小腿连接杆的长度，
Figure GDA0002518513240000063
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA0002518513240000064
上式中的β2为膝关节件的转角；
(3)计算摆动足几何中心在摆动腿髋关节件的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA0002518513240000065
式中，
Figure GDA0002518513240000066
s4为摆动腿大腿连接杆的长度，
Figure GDA00025185132400000613
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA0002518513240000067
上式中的β3为髋关节件转角；
(4)计算摆动足几何中心在摆动腿腰关节件的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA0002518513240000068
其中，
Figure GDA0002518513240000069
s5为腰关节件的轴向长度，
Figure GDA00025185132400000610
s6为腰关节件直径，
Figure GDA00025185132400000611
和
Figure GDA00025185132400000612
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA0002518513240000071
上式中的β4、β5为腰关节件两个自由度的转角；
(5)计算摆动足几何中心在支撑腿腰关节件坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA0002518513240000072
其中，
Figure GDA0002518513240000073
s7为腰连接杆(18)的长度，
Figure GDA0002518513240000074
s8为腰关节件径向长度，
Figure GDA0002518513240000075
和
Figure GDA0002518513240000076
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA0002518513240000077
上式中的β6、β7为支撑腿的腰关节件的两个自由度的转角；
(6)计算摆动足几何中心在支撑腿的髋关节件的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA0002518513240000078
式中，
Figure GDA0002518513240000079
s9为支撑腿的腰关节件的轴向长度，
Figure GDA00025185132400000710
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA00025185132400000711
上式中的β8为支撑腿的髋关节件的转角；
(7)计算摆动足几何中心在支撑腿的膝关节件的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA00025185132400000712
式中，
Figure GDA0002518513240000081
s10为支撑腿大腿连接杆的长度，
Figure GDA0002518513240000082
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA0002518513240000083
上式中的β9为支撑腿膝关节件的转角；
(8)计算摆动足几何中心在支撑腿脚底连接件的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA0002518513240000084
其中，
Figure GDA0002518513240000085
s11为支撑腿小腿连接杆的长度，
Figure GDA0002518513240000086
s12为支撑腿踝关节件的轴向长度，
Figure GDA0002518513240000087
s13为支撑腿脚底连接件的长度，
Figure GDA0002518513240000088
和
Figure GDA0002518513240000089
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA00025185132400000810
上式中的β10、β11为支撑腿踝关节件两个自由度的转角。
有益效果：
(1)本发明的装置体积小，克服了使用固定底座或球形舱的万向跑步装置体积大的缺点，通过两套可在平面内任意运动的二连杆装置追踪人体摆动足，为人体摆动足提供水平落脚点，且将人体运动过程中的身体支撑点始终定义为落地足，摆动足和落地足之间来回切换，克服了现有技术中万向跑步装置需要将重心固定在人体腰部使得人体需要倾斜的缺点，运动过程与真实跑动过程一致，具有更真实的体验感。
(2)本发明无需腰部支撑架辅助人体平衡，使用者可以在运动过程中自由站立或下蹲，克服了现有技术中万向跑步装置采用腰部支撑架将人体限制在狭窄空间内的缺点。
(3)本发明通过平面连杆装置主动追踪人体下肢前进的速度矢量，进而主动控制落地足所在连杆末端反向运动。
(4)本发明中人体穿戴的下肢姿态测量机构的每条腿具备六个自由度，在人体下肢自由活动时，能够精确测量下肢的姿态，将该姿态信息反馈到虚拟场景中，可以进一步实现人机交互，该方法克服了现有技术中万向跑步装置只能追踪人体脚部轨迹而不能测量下肢姿态的缺点。
附图说明
图1为本发明万向运动装置的结构示意图。
图2为本发明中的下肢姿态测量机构的结构示意图。
图3为本发明中的平面连杆装置的结构示意图。
图4为本发明平面连杆装置的左平面连杆结构示意图。
图5为本发明平面连杆装置的右平面连杆结构示意图。
图6为本发明人体下肢万向运动装置的控制流程图。
其中，1-人体下肢姿态测量机构，11-脚底连接件，12-踝关节件，13-小腿连接杆，14-膝关节件，15-大腿连接杆，16-髋关节件，17-腰关节件，18-腰连接杆，19-系带，2-平面连杆装置，21-连杆底座，22-左肩关节，23-左肩连杆，24-左肘关节，25-左肘连杆，26-左托盘，27-右肩关节，28-右肩连杆，29-右肘关节，210-右肘连杆，211-右托盘，221-左肩电机，222-左肩角度传感器，241-左肘电机，242-左肘角度传感器，261-左托盘架，262-左万向轮，263-左压力传感器，271-右肩电机，272-右肩角度传感器，291-右肘电机，292-右肘角度传感器，2111-右托盘架，2112-右万向轮，2113-右压力传感器
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种人体下肢万向运动装置及其控制方法，该装置体积小且兼具人体下肢姿态检测功能，并且无需额外设置腰部支撑架即可维持人体平衡，能够使人体在较大的活动空间内主动式的实现下肢万向运动。
如图1所示，该万向运动装置包括控制中心及分别与控制中心无线连接的人体下肢姿态测量机构1和平面连杆装置2；人体下肢姿态测量机构1包括人体下肢姿态测量机构A和人体下肢姿态测量机构B，人体下肢姿态测量机构A和人体下肢姿态测量机构B分别通过系带19穿戴式地固定在人体两条腿上，用于随人体下肢运动并实时测量人体下肢运动姿态并传输给控制中心；控制中心根据人体下肢姿态测量机构1测量的人体下肢运动姿态确定摆动足和落地足的相对位置并向平面连杆装置2发送实时追踪指令；平面连杆装置2水平设置在人体下肢姿态测量机构1下方的水平地面上，其包括连杆底座21及对称设置在连杆底座21上的左平面连杆和右平面连杆，左平面连杆和右平面连杆分别与人体下肢的左脚和右脚对应，左平面连杆和右平面连杆均为两自由度平面连杆，用于根据控制中心发送的实时追踪指令实时追踪人体摆动足在水平地面上的投影点，为摆动足落地时提供支撑平面；当左脚为摆动足时，所述左平面连杆实时追踪左脚的落地点，当右脚为摆动足时，所述右平面连杆实时追踪右脚的落地点。
具体地：如图2所示，人体下肢姿态测量机构1包括脚底连接件11、踝关节件12、小腿连接杆13、膝关节件14、大腿连接杆15、髋关节件16、腰关节件17、腰连接杆18和系带19；其中，腰关节件17、髋关节件16、大腿连接杆15、膝关节件14、小腿连接杆13、踝关节件12及脚底连接件11依次连接组成人体下肢姿态测量机构A，人体下肢姿态测量机构B与人体下肢姿态测量机构A的组成部件及部件之间的连接关系相同，二者分别设置在腰连接杆18的两端且关于腰连接杆18的中点对称；大腿连接杆15和小腿连接杆13均为可伸缩杆，用于根据人体高度调节杆长以适应不同用户的需求，其上分别设置系带19，分别用于将大腿连接杆15绑定在人体下肢的大腿上、将小腿连接杆13绑定在人体下肢的小腿上，由于每条腿均具有六个自由度，因此，用户下肢可自由活动。其中，预设腰关节件17具有两个自由度、髋关节件16具有一个自由度、膝关节件14具有一个自由度、踝关节件12具有两个自由度，同时，在踝关节件12、膝关节件14、髋关节件16、腰关节件17的每个自由度处均安装角度测量元件(如角度传感器)，角度测量元件与控制中心无线连接，用于实时测量相邻部件之间相对运动的角度并无线传输给控制中心，控制中心根据相邻部件之间的相对运动角度实时计算人体下肢运动姿态。
如图3-5所示，平面连杆装置2包括左肩关节22、左肩连杆23、左肘关节24、左肘连杆25、左托盘26、右肩关节27、右肩连杆28、右肘关节29、右肘连杆210、右托盘211；其中，左肩关节22、左肘关节24、右肩关节27和右肘关节29均为转动部件；左肩关节22固定在连杆底座21上，左肘关节24通过左肩连杆23与左肩关节22相连，左托盘26通过左肘连杆25与左肘关节24连接，构成左平面连杆；右肩关节27、右肩连杆28、右肘关节29、右肘连杆210和右托盘211依次相连，构成右平面连杆；左平面连杆和右平面连杆关于连杆底座21的中心对称；左肩连杆23绕左肩关节22转动，左肘连杆25绕左肘关节24转动，右肩连杆28绕右肩关节27转动，右肘连杆210绕右肘关节29转动。其中，左肩关节22、左肘关节24和左托盘26分别与控制中心无线连接，左肩关节22上设置左肩电机221和左肩角度传感器222，左肘关节24上设置左肘电机241和左肘角度传感器242，左托盘26包括左托盘架261、左万向轮262和左压力传感器263；左肩角度传感器222用于实时测量左肩连杆23相对于连杆底座21的角度变化，左肘角度传感器242用于实时测量左肘连杆25相对于左肩连杆23的角度变化，左压力传感器263用于实时测量左托盘架261上的压力PL，左肩关节22和左肘关节24将测得的角度信息及左压力传感器263测得的压力PL无线传输给控制中心；同理，右肩关节27、右肘关节29和右托盘211分别与控制中心无线连接，右肩关节27上设置右肩电机271和右肩角度传感器272，右肘关节29上设置右肘电机291和右肘角度传感器292，右托盘211包括右托盘架2111、右万向轮2112和右压力传感器2113；右肩角度传感器272用于实时测量右肩连杆28相对于连杆底座21的角度变化，右肘角度传感器292用于实时测量右肘连杆210相对于右肩连杆28的角度变化，右压力传感器2113用于实时测量右托盘架2111上的压力PR，右肩关节27和右肘关节29将测得的角度信息及右压力传感器2113测得的压力PR无线传输给控制中心，控制中心根据PL和PR的数值大小确定落地足和摆动足，控制中心进而控制摆动足所在侧的电机驱动相应的连杆运动；
当人体下肢姿态测量机构A中的脚底连接件11为落地足，控制中心根据人体下肢姿态测量机构B中的脚底连接件11的实时位置在水平地面上的投影点，实时控制右肩电机271驱动右肩连杆28相对于连杆底座21运动，控制右肘电机291驱动右肘连杆210相对于右肘关节29运动，进而带动右托盘211运动到人体下肢姿态测量机构B中的脚底连接件11的实时位置在水平地面上的投影点上，使右托盘211成为摆动足的落脚点；当人体下肢姿态测量机构B中的脚底连接件11为落地足，控制中心根据人体下肢姿态测量机构A中的脚底连接件11的实时位置在水平地面上的投影点，实时控制左肩电机221驱动左肩连杆23相对于连杆底座21运动，控制左肘电机241驱动左肘连杆25相对于左肘关节24运动，进而带动左托盘26运动到人体下肢姿态测量机构A中的脚底连接件11的实时位置在水平地面上的投影点上，使左托盘26成为摆动足的落脚点。
如图6所示，该万向运动装置的控制方法包括：
步骤一、通过左压力传感器263和右压力传感器2113分别实时检测平面连杆装置2的左托盘26的压力PL和右托盘211的压力PR，若PL>0,PR＝0，令左脚为落地足；若PR>0,PL＝0，令右脚为落地足；若PL>0,PR>0,且PL>PR，令左脚为落地足；若PL>0,PR>0,且PR>PL，令右脚为落地足；若PL＝PR时，令左脚为落地足；当落地足确定后，另一足为摆动足；
步骤二、以连杆底座21为横坐标(X轴)，连杆底座21的中心为坐标原点，X轴正向从左肩关节22的几何中心指向右肩关节27的几何中心，Y轴正向垂直于X轴指向左托盘26和右托盘211所在侧，Z轴正向与X轴、Y轴的正向满足右手螺旋法则；令左肩关节22和右肩关节27的几何中心之间的距离为L，左肩连杆23、右肩连杆28、左肘连杆25和右肘连杆210的长度相等，均为Lg；通过角度传感器采集落地足所在平面连杆(左平面连杆或右平面连杆)的肩关节(左肩关节22或右肩关节27)角度θ1(左肩角度传感器222采集左肩关节22的角度，右肩角度传感器272采集右肩关节27的角度)，肘关节(左肘关节24或右肘关节29)角度θ2(左肘角度传感器242采集左肘关节24的角度，右肘角度传感器292采集右肘关节29的角度)，其中，θ1为肩连杆(左肩连杆23或右肩连杆28)从X轴正向绕Z轴转动的角度，θ2为肘连杆(左轴连杆25或右肘连杆210)从肩连杆(左肩连杆23或右肩连杆28)绕Z轴转动的角度，角度正负的规定满足右手螺旋法则；
计算落地足的坐标为：
Figure GDA0002518513240000121
当落地足位于左平面连杆时，公式(1)中x0＝Lgcosθ1+Lgcos(θ1+θ2)-L/2，当落地足位于右平面连杆时，公式(1)中x0＝Lgcosθ1+Lgcos(θ1+θ2)+L/2；
令人体下肢姿态测量机构1中的脚底连接件11长度为s；
计算摆动足的坐标为：
Figure GDA0002518513240000122
其中，P为摆动足几何中心在支撑腿脚底连接件11的坐标系中的坐标矢量，其具体计算方法如下；
(1)计算摆动足几何中心在摆动腿(人体下肢姿态测量机构A或人体下肢姿态测量机构B)的踝关节件12的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA0002518513240000123
其中，
Figure GDA0002518513240000124
s1为摆动腿脚底连接件11的长度，
Figure GDA0002518513240000125
s2为摆动腿踝关节件12的径向长度，
Figure GDA0002518513240000126
和
Figure GDA0002518513240000127
均为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA0002518513240000131
上式中的β0、β1分别为踝关节件12两个自由度的转角；
(2)计算摆动足几何中心在摆动腿的膝关节件14的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA0002518513240000132
其中，
Figure GDA0002518513240000133
s3为摆动腿小腿连接杆13的长度，
Figure GDA0002518513240000134
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA0002518513240000135
上式中的β2为膝关节件14的转角；
(3)计算摆动足几何中心在摆动腿髋关节件16的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA0002518513240000136
式中，
Figure GDA0002518513240000137
s4为摆动腿大腿连接杆15的长度，
Figure GDA0002518513240000138
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA0002518513240000139
上式中的β3为髋关节件16的转角；
(4)计算摆动足几何中心在摆动腿腰关节件17的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA00025185132400001310
其中，
Figure GDA00025185132400001311
s5为腰关节件17的轴向长度，
Figure GDA00025185132400001312
s6为腰关节件17直径，
Figure GDA00025185132400001313
和
Figure GDA00025185132400001314
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA0002518513240000141
上式中的β4、β5为腰关节件17两个自由度的转角；
(5)计算摆动足几何中心在支撑腿(与摆动腿相对，为人体下肢姿态测量机构A或人体下肢姿态测量机构B)腰关节件17坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA0002518513240000142
其中，
Figure GDA0002518513240000143
s7为腰连接杆18的长度，
Figure GDA0002518513240000144
s8为腰关节件17径向长度，
Figure GDA0002518513240000145
和
Figure GDA0002518513240000146
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA0002518513240000147
上式中的β6、β7为支撑腿的腰关节件17的两个自由度的转角；
(6)计算摆动足几何中心在支撑腿的髋关节件16的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA0002518513240000148
式中，
Figure GDA0002518513240000149
s9为支撑腿的腰关节件17的轴向长度，
Figure GDA00025185132400001410
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA00025185132400001411
上式中的β8为支撑腿的髋关节件16的转角；
(7)计算摆动足几何中心在支撑腿的膝关节件14的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA00025185132400001412
式中，
Figure GDA00025185132400001413
s10为支撑腿大腿连接杆15的长度，
Figure GDA00025185132400001414
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA0002518513240000151
上式中的β9为支撑腿膝关节件14的转角；
(8)计算摆动足几何中心在支撑腿脚底连接件11的坐标系中的坐标矢量：
Figure GDA0002518513240000152
其中，
Figure GDA0002518513240000153
s11为支撑腿小腿连接杆13的长度，
Figure GDA0002518513240000154
s12为支撑腿踝关节件12的轴向长度，
Figure GDA0002518513240000155
s13为支撑腿脚底连接件11的长度，
Figure GDA0002518513240000156
和
Figure GDA0002518513240000157
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure GDA0002518513240000158
上式中的β10、β11为支撑腿踝关节件12两个自由度的转角；
步骤三、计算落地足所在平面连杆的肩连杆和肘连杆的期望关节角速度，令肩连杆和肘连杆的期望关节角速度分别为
Figure GDA0002518513240000159
其表达式为：
Figure GDA00025185132400001510
步骤四、计算摆动足所在平面连杆的期望关节转角，令其肩关节的期望转角为θ1r，其肘关节的期望转角θ2r，其表达式为：
Figure GDA00025185132400001511
其中，θ4为中间变量，
Figure GDA00025185132400001512
a＝Lg-Lgcosθ4，b＝Lgsinθ4，x′s＝xs+L/2；
步骤五、通过控制中心控制落地足所在平面连杆的关节角速度达到步骤三解算出的
Figure GDA00025185132400001513
Figure GDA0002518513240000161
同时，控制摆动足所在平面连杆的关节转角达到步骤四解算出的θ1r、θ2r，使与摆动足对应的托盘实时追踪摆动足在水平地面的投影点。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种人体下肢万向运动装置，其特征在于，包括：控制中心及分别与控制中心无线连接的人体下肢姿态测量机构(1)和平面连杆装置(2)；所述人体下肢姿态测量机构(1)固定在人体两条腿上，用于实时测量人体下肢运动姿态并传输给控制中心；控制中心根据所述人体下肢姿态测量机构(1)测量的人体下肢运动姿态确定摆动足和落地足的相对位置并向平面连杆装置(2)发送实时追踪指令；所述平面连杆装置(2)水平设置在所述人体下肢姿态测量机构(1)下方的水平地面上，用于根据控制中心发送的实时追踪指令实时追踪摆动足的落脚点。
2.如权利要求1所述的人体下肢万向运动装置，其特征在于，所述人体下肢姿态测量机构(1)包括人体下肢姿态测量机构A、人体下肢姿态测量机构B和腰连接杆(18)；
所述人体下肢姿态测量机构A和人体下肢姿态测量机构B均包括依次相连的腰关节件(17)、髋关节件(16)、大腿连接杆(15)、膝关节件(14)、小腿连接杆(13)、踝关节件(12)及脚底连接件(11)；所述人体下肢姿态测量机构A通过其上的腰关节件(17)和所述腰连接杆(18)的一端相连，所述人体下肢姿态测量机构B通过其上的腰关节件(17)和所述腰连接杆(18)的另一端相连。
3.如权利要求2所述的人体下肢万向运动装置，其特征在于，预设腰关节件(17)具有两个自由度、髋关节件(16)具有一个自由度、膝关节件(14)具有一个自由度、踝关节件(12)具有两个自由度，同时，在踝关节件(12)、膝关节件(14)、髋关节件(16)、腰关节件(17)的每个自由度处分别安装角度测量元件，所述角度测量元件与控制中心无线连接，用于实时测量相邻部件之间相对运动的角度并无线传输给控制中心。
4.如权利要求1所述的人体下肢万向运动装置，其特征在于，所述平面连杆装置(2)包括连杆底座(21)及对称设置在连杆底座(21)同一侧的左平面连杆和右平面连杆，所述左平面连杆和右平面连杆分别与人体下肢的左脚和右脚对应，当左脚为摆动足时，所述左平面连杆实时追踪左脚的落地点，当右脚为摆动足时，所述右平面连杆实时追踪右脚的落地点。
5.如权利要求4所述的人体下肢万向运动装置，其特征在于，所述左平面连杆包括依次相连的左肩关节(22)、左肩连杆(23)、左肘关节(24)、左肘连杆(25)和左托盘(26)；所述右平面连杆包括依次相连的右肩关节(27)、右肩连杆(28)、右肘关节(29)、右肘连杆(210)和右托盘(211)；所述左平面连杆通过其上的左肩关节(22)与所述连杆底座(21)相连，所述右平面连杆通过其上的右肩关节(27)与所述连杆底座(21)相连；所述左肩关节(22)、左肘关节(24)、右肩关节(27)和右肘关节(29)均为转动部件，所述左肩连杆(23)绕左肩关节(22)转动，左肘连杆(25)绕左肘关节(24)转动，右肩连杆(28)绕右肩关节(27)转动，右肘连杆(210)绕右肘关节(29)转动；所述左托盘(26)或右托盘(211)用于承托落地足。
6.如权利要求5所述的人体下肢万向运动装置，其特征在于，所述左肩关节(22)、左肘关节(24)和左托盘(26)分别与控制中心无线连接，所述右肩关节(27)、右肘关节(29)和右托盘(211)分别与控制中心无线连接；
所述左肩关节(22)上设置左肩电机(221)和左肩角度传感器(222)，左肘关节(24)上设置左肘电机(241)和左肘角度传感器(242)，左托盘(26)包括左托盘架(261)、左万向轮(262)和左压力传感器(263)；
所述左肩角度传感器(222)用于实时测量左肩连杆(23)相对于连杆底座(21)的角度变化，所述左肘角度传感器(242)用于实时测量左肘连杆(25)相对于左肩连杆(23)的角度变化，所述左压力传感器(263)用于实时测量左托盘架(261)上的压力PL；
所述左肩关节(22)和左肘关节(24)将测得的角度信息及左压力传感器(263)测得的压力PL无线传输给控制中心；
所述右肩关节(27)上设置右肩电机(271)和右肩角度传感器(272)，右肘关节(29)上设置右肘电机(291)和右肘角度传感器(292)，右托盘(211)包括右托盘架(2111)、右万向轮(2112)和右压力传感器(2113)；
所述右肩角度传感器(272)用于实时测量右肩连杆(28)相对于连杆底座(21)的角度变化，右肘角度传感器(292)用于实时测量右肘连杆(210)相对于右肩连杆(28)的角度变化，右压力传感器(2113)用于实时测量右托盘架(2111)上的压力PR；
所述右肩关节(27)和右肘关节(29)将测得的角度信息及右压力传感器(2113)测得的压力PR无线传输给控制中心；
控制中心根据PL和PR的数值大小确定落地足和摆动足，进而控制摆动足所在侧的电机驱动相应的连杆运动。
7.如权利要求6所述的人体下肢万向运动装置，其特征在于，当摆动足为左脚时，所述左肩电机(221)驱动左肩连杆(23)运动，左肘电机(241)驱动左肘连杆(25)运动，进而带动左托盘(26)实时追踪左脚并作为左脚的落地脚；当摆动足为右脚时，所述右肩电机(271)驱动右肩连杆(28)运动，所述右肘电机(291)驱动右肘连杆(210)运动，进而带动右托盘(211)实时追踪右脚并作为右脚的落地脚。
8.一种人体下肢万向运动装置的控制方法，它对权利要求7所述的万向运动装置进行控制，包括：
步骤一、通过左压力传感器(263)和右压力传感器(2113)确定落地足和摆动足；
步骤二、以连杆底座(21)为X轴，连杆底座(21)的中心为坐标原点建立坐标系并计算落地足和摆动足的坐标；
步骤三、根据摆动足的坐标计算摆动足投影点相对连杆底座(21)的速度矢量，并转化为落地足所在平面连杆的期望关节角速度；
步骤四、计算摆动足所在平面连杆的期望关节转角；
步骤五、通过控制中心控制落地足所在平面连杆的关节角速度达到步骤三解算出的期望关节角速度；同时，控制摆动足所在平面连杆的关节转角达到步骤四解算出的期望关节转角，使摆动足所在连杆上的托盘实时追踪摆动足在水平面的投影点。
9.如权利要求8所述的人体下肢万向运动装置的控制方法，其特征在于，所述步骤二中的坐标系的X轴正向从左肩关节(22)的几何中心指向右肩关节(27)的几何中心，Y轴正向垂直于X轴并指向左托盘(26)和右托盘(211)所在侧，Z轴正向与X轴、Y轴的正向满足右手螺旋法则；
令左肩关节(22)和右肩关节(27)的几何中心之间的距离为L，左肩连杆(23)、右肩连杆(28)、左肘连杆(25)和右肘连杆(210)的长度均为Lg；
通过角度传感器采集落地足所在平面连杆的肩关节角度θ1，肘关节角度θ2，其中，θ1为肩连杆从X轴正向绕Z轴转动的角度，θ2为肘连杆从肩连杆绕Z轴转动的角度，角度正负的规定满足右手螺旋法则；
所述步骤二中落地足的坐标为：
Figure FDA0002518513230000031
当落地足位于左平面连杆时，公式(1)中x0＝Lg cosθ1+Lg cos(θ1+θ2)-L/2，当落地足位于右平面连杆时，公式(1)中x0＝Lg cosθ1+Lg cos(θ1+θ2)+L/2；
令人体下肢姿态测量机构(1)中的脚底连接件(11)长度为s；
摆动足的坐标为：
Figure FDA0002518513230000041
其中，P为摆动足几何中心在支撑腿脚底连接件(11)的坐标系中的坐标矢量；
令落地足所在连杆的肩连杆和肘连杆的期望关节角速度分别为
Figure FDA0002518513230000042
所述步骤三中期望关节角速度的表达式为：
Figure FDA0002518513230000043
令摆动足所在平面连杆的肩关节的期望转角为θ1r，其肘关节的期望转角θ2r，所述步骤四中期望关节转角的表达式为：
Figure FDA0002518513230000044
其中，θ4为中间变量，
Figure FDA0002518513230000045
a＝Lg-Lg cosθ4，b＝Lg sinθ4，x′s＝xs+L/2。
10.如权利要求9所述的人体下肢万向运动装置的控制方法，其特征在于，所述坐标矢量P通过如下方法计算得到：
(1)计算摆动足几何中心在摆动腿的踝关节件(12)的坐标系中的坐标矢量：
Figure FDA0002518513230000048
其中，
Figure FDA0002518513230000046
s1为摆动腿脚底连接件(11)的长度，
Figure FDA0002518513230000047
s2为摆动腿踝关节件(12)的径向长度，
Figure FDA0002518513230000051
和
Figure FDA0002518513230000052
均为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure FDA0002518513230000053
上式中的β0和β1分别为踝关节件(12)两个自由度的转角；
(2)计算摆动足几何中心在摆动腿的膝关节件(14)的坐标系中的坐标矢量：
Figure FDA0002518513230000054
其中，
Figure FDA0002518513230000055
s3为摆动腿小腿连接杆(13)的长度，
Figure FDA0002518513230000056
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure FDA0002518513230000057
上式中的β2为膝关节件(14)的转角；
(3)计算摆动足几何中心在摆动腿髋关节件(16)的坐标系中的坐标矢量：
Figure FDA0002518513230000058
式中，
Figure FDA0002518513230000059
s4为摆动腿大腿连接杆(15)的长度，
Figure FDA00025185132300000510
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure FDA00025185132300000511
上式中的β3为髋关节件(16)转角；
(4)计算摆动足几何中心在摆动腿腰关节件(17)的坐标系中的坐标矢量：
Figure FDA00025185132300000512
其中，
Figure FDA0002518513230000061
s5为腰关节件(17)的轴向长度，
Figure FDA0002518513230000062
s6为腰关节件(17)直径，
Figure FDA0002518513230000063
和
Figure FDA0002518513230000064
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure FDA0002518513230000065
上式中的β4、β5为腰关节件(17)两个自由度的转角；
(5)计算摆动足几何中心在支撑腿腰关节件(17)坐标系中的坐标矢量：
Figure FDA0002518513230000066
其中，
Figure FDA0002518513230000067
s7为腰连接杆(18)的长度，
Figure FDA0002518513230000068
s8为腰关节件(17)径向长度，
Figure FDA0002518513230000069
和
Figure FDA00025185132300000610
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure FDA00025185132300000611
上式中的β6、β7为支撑腿的腰关节件(17)的两个自由度的转角；
(6)计算摆动足几何中心在支撑腿的髋关节件(16)的坐标系中的坐标矢量：
Figure FDA00025185132300000612
式中，
Figure FDA00025185132300000613
s9为支撑腿的腰关节件(17)的轴向长度，
Figure FDA00025185132300000614
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure FDA00025185132300000615
上式中的β8为支撑腿的髋关节件(16)的转角；
(7)计算摆动足几何中心在支撑腿的膝关节件(14)的坐标系中的坐标矢量：
Figure FDA0002518513230000071
式中，
Figure FDA0002518513230000072
s10为支撑腿大腿连接杆(15)的长度，
Figure FDA0002518513230000073
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure FDA0002518513230000074
上式中的β9为支撑腿膝关节件(14)的转角；
(8)计算摆动足几何中心在支撑腿脚底连接件(11)的坐标系中的坐标矢量：
Figure FDA0002518513230000075
其中，
Figure FDA0002518513230000076
s11为支撑腿小腿连接杆(13)的长度，
Figure FDA0002518513230000077
s12为支撑腿踝关节件(12)的轴向长度，
Figure FDA0002518513230000078
s13为支撑腿脚底连接件(11)的长度，
Figure FDA0002518513230000079
和
Figure FDA00025185132300000710
为坐标转换矩阵，其表达式如下：
Figure FDA00025185132300000711
上式中的β10、β11为支撑腿踝关节件(12)两个自由度的转角。
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