CN110802603A - 一种主动式腰部助力外骨骼控制系统以及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及助力机器人研究技术领域，具体涉及一种主动式腰部助力外骨骼控制系统以及控制方法。一种主动式腰部助力外骨骼控制系统，包括传感器模块、无刷直流电机、信号采集与处理模块、搬运模式切换运动控制模块、电机驱动模块、人机交互界面，所述传感器包括：肌电传感器、电机编码器。本发明有益之处是：实现了腰部外骨骼机器人搬运状态全自动切换的功能，体现产品的智能化，使用了较少的传感器设备，使得腰部外骨骼机器人可以按照人体动作意图进行工作，达到了人机一体化的效果。
Description
技术领域
本发明涉及助力机器人研究技术领域，具体涉及一种主动式腰部助力外骨骼控制系统以及控制方法。
背景技术
腰部助力外骨骼能减轻在物流业、建筑业、制造业、医疗业、农林业等行业工人的工作强度，提高工作效率，预防体力劳动导致的身体损伤，以及在助老方面辅助老年人的身体机能方面，减轻家庭和社会负担、降低对国外技术严重的依赖等方面具有重要的现实意义。
本发明最相近似的实现方案：发明专利-《助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统及其控制方法》：一种助力外骨骼机器人的多相位步态切换控制系统及其控制方法，其特征是包括传感器模块、信号采集与处理模块、步态切换运动控制模块、电机驱动模块；传感器包括:惯性测量单元、足底压力传感器和电机编码器。本发明能在满足外骨骼机器人负载重物情况下，规划各相位步态下髋关节和膝关节电机助力力矩的输出和各相位步态之间的流畅切换，达到负重外骨骼装备肢体动作的协调性和灵活性的目的。
现有技术存在以下不足：
第一，现有的技术只考虑了助力系统在物资“运”的使用，没有考虑助力系统在物资“搬”的情况下的使用。
第二，现有技术无法实现全自动切换搬运状态的功能。一般采用按键形式完成搬运状态的切换，无法满足可穿戴搬运助力设备的智能化需求。
第三，现有技术无法结合肌电传感器进行人机协同工作。
第四，现有技术通过压力传感器检测足底压力，进而全自动计算外骨骼的助力值。但是现有技术无法手动设置其值，容易造成人体的二次伤害。
本发明内容
本发明的目的是：提供一种主动式腰部助力外骨骼控制系统，重点关注“搬”的功能实现。通过多传感器融合技术实现搬运状态全自动切换的功能，使本发明达到搬运助力设备自动化的效果。其次结合了平滑助力技术，本发明实现了柔顺助力的效果，防止对人体的二次伤害。。
为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：
一种主动式腰部助力外骨骼控制系统，包括传感器模块、无刷直流电机、信号采集与处理模块、搬运模式切换运动控制模块、电机驱动模块、人机交互界面，所述传感器包括：肌电传感器、电机编码器；
所述肌电传感器放置在左右手小臂处，用于采集所述人体搬运重物的肌电信号。
所述电机编码器放置在所述外骨骼装置的左右腿髋关节外侧，用于采集所述外骨骼装置的左右腿髋关节无刷直流电机码盘值；
所述信号采集与处理模块：将电机编码器所采集的电机码盘值通过信号处理算法分别计算出左右腿髋关节角度变化值，包括：外骨骼装置左腿髋关节角度变化值、外骨骼装置右腿髋关节角度变化值、外骨骼装置左腿髋关节角速度值、外骨骼装置右腿髋关节角速度值；
搬运模式切换运动控制模块：通过信号采集与处理模块获取运动控制模块中所需的数据，根据上述数据进行所述搬运状态切换运动控制模块中的逻辑判断，最后根据逻辑判断结果自动切换搬运状态。
所述电机驱动模块将上述左右腿髋关节的输出力矩值转化为驱动器的指令，从而发送指令驱动电机辅助人体搬运。
所述人机交互模块将人所设定的最大力矩值作为限制条件，可由人机交互界面按键设置对应的最大力矩，达到舒适。
本发明的另一个目的，一种助力外骨骼机器人的搬运状态切换控制方法，包括以下步骤：
1、进入无动力模式并且周期进入步骤2；
2、获取肌电传感器的多通道肌电信号，如果肌电信号超过设定的肌电信号阈值，则执行步骤3；否则，执行步骤1；
3、获取左腿髋关节、右腿髋关节无刷直流电机编码器角度值，判断左右腿髋关节的角度值是否大于起身角度阈值，若是，执行步骤5(物体从下往上搬运模式逻辑图，见图3)，否则执行步骤4；
4、判断髋关节角度值是否小于下蹲角度阈值，若是，执行步骤6，否则执行步骤1；
5、获取左腿髋关节、右腿髋关节无刷直流电机编码器角速度值，并判断条件a；
条件a：判断左右腿髋关节角度值是否小于起身角度阈值且左右腿髋关节角速度大于起身速度阈值，若是，则执行起身平滑助力指令，否则执行条件b；
条件b：判断左右腿髋关节角度值是否大于下蹲起身角度阈值且左右腿髋关节角速度大于下蹲速度阈值，若是，则执行下蹲平滑助力指令，否则执行条件c；
条件c：判断左右腿髋关节编码角度值是否大于起身的角度阈值且小于起身的速度阈值，若是，则结束助力状态且执行步骤1；否则执行上一次助力指令并执行条件a；
6、获取左腿髋关节、右腿髋关节无刷直流电机编码器角速度值，并进入条件d；
条件d：判断左右腿髋关节角度值是否大于下蹲角度阈值且左右腿髋关节角速度大于下蹲速度阈值，若是，则执行下蹲平滑助力指令，否则执行条件e；
条件e：判断左右腿髋关节角度值是否小于起身角度阈值且左右腿髋关节角速度大于起身速度阈值，若是，则执行起身平滑助力指令，否则执行条件f；
条件f：判断左右腿髋关节编码角度值是否小于下蹲的角度阈值且速度值小于下蹲的速度阈值，若是，则结束助力状态且执行步骤1；否则执行上一次助力指令并进入条件d。
本发明的有益效果为：
1、本发明方法实现了腰部外骨骼机器人搬运状态全自动切换的功能，体现产品的智能化。
2、本发明方法使用了较少的传感器设备，使得腰部外骨骼机器人可以按照人体动作意图进行工作，达到了人机一体化的效果。
3、本发明可以手动调整该系统提供的助力值，进而，各行业的工作人员均可穿戴腰部外骨骼机器人进行工作。
4、本发明结合了斜坡轨迹算法，平滑地提供辅助力矩，使得腰部外骨骼机器人柔顺辅助人体进行搬运工作。
附图说明
图1为本发明一种主动式腰部助力外骨骼控制系统图；
图2为本发明一种主动式腰部助力外骨骼控制系统逻辑图；
图3为本发明物体从下往上搬运模块逻辑图；
图4为本发明物体从上往下搬运模块逻辑图；
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参考图1至图4，一种主动式腰部助力外骨骼控制系统，包括传感器模块、无刷直流电机、信号采集与处理模块、搬运模式切换运动控制模块、电机驱动模块、人机交互界面，所述传感器包括：肌电传感器、电机编码器；
所述肌电传感器放置在左右手小臂处，用于采集所述人体搬运重物的肌电信号。
所述电机编码器放置在所述外骨骼装置的左右腿髋关节外侧，用于采集所述外骨骼装置的左右腿髋关节无刷直流电机码盘值；
所述信号采集与处理模块：将电机编码器所采集的电机码盘值通过信号处理算法分别计算出左右腿髋关节角度变化值，包括：外骨骼装置左腿髋关节角度变化值、外骨骼装置右腿髋关节角度变化值、外骨骼装置左腿髋关节角速度值、外骨骼装置右腿髋关节角速度值；
搬运模式切换运动控制模块：通过信号采集与处理模块获取运动控制模块中所需的数据，根据上述数据进行所述搬运状态切换运动控制模块中的逻辑判断，最后根据逻辑判断结果自动切换搬运状态。
所述电机驱动模块将上述左右腿髋关节的输出力矩值转化为驱动器的指令，从而发送指令驱动电机辅助人体搬运。
所述人机交互模块将人所设定的最大力矩值作为限制条件，可由人机交互界面按键设置对应的最大力矩，达到舒适。
一种助力外骨骼机器人的搬运状态切换控制方法，包括以下步骤：
1、进入无动力模式并且周期进入步骤2；
2、获取肌电传感器的多通道肌电信号，如果肌电信号超过设定的肌电信号阈值，则执行步骤3；否则，执行步骤1；
3、获取左腿髋关节、右腿髋关节无刷直流电机编码器角度值，判断左右腿髋关节的角度值是否大于起身角度阈值，若是，执行步骤5(物体从下往上搬运模式逻辑图，见图3)，否则执行步骤4；
4、判断髋关节角度值是否小于下蹲角度阈值，若是，执行步骤6，否则执行步骤1；
5、获取左腿髋关节、右腿髋关节无刷直流电机编码器角速度值，并判断条件a；
条件a：判断左右腿髋关节角度值是否小于起身角度阈值且左右腿髋关节角速度大于起身速度阈值，若是，则执行起身平滑助力指令，否则执行条件b；
条件b：判断左右腿髋关节角度值是否大于下蹲起身角度阈值且左右腿髋关节角速度大于下蹲速度阈值，若是，则执行下蹲平滑助力指令，否则执行条件c；
条件c：判断左右腿髋关节编码角度值是否大于起身的角度阈值且小于起身的速度阈值，若是，则结束助力状态且执行步骤1；否则执行上一次助力指令并执行条件a；
6、获取左腿髋关节、右腿髋关节无刷直流电机编码器角速度值，并进入条件d；
条件d：判断左右腿髋关节角度值是否大于下蹲角度阈值且左右腿髋关节角速度大于下蹲速度阈值，若是，则执行下蹲平滑助力指令，否则执行条件e；
条件e：判断左右腿髋关节角度值是否小于起身角度阈值且左右腿髋关节角速度大于起身速度阈值，若是，则执行起身平滑助力指令，否则执行条件f；
条件f：判断左右腿髋关节编码角度值是否小于下蹲的角度阈值且速度值小于下蹲的速度阈值，若是，则结束助力状态且执行步骤1；否则执行上一次助力指令并进入条件d。
本发明使用了人机交互界面。系统可按动助力开关键，开关其助力功能。同时系统也可按动助力值增减键设定大小。
上述实施例用于对本发明作进一步的说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应理解为在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种主动式腰部助力外骨骼控制系统，其特征在于：包括传感器模块、无刷直流电机、信号采集与处理模块、搬运模式切换运动控制模块、电机驱动模块、人机交互界面，所述传感器包括：肌电传感器、电机编码器；
所述肌电传感器放置在左右手小臂处，用于采集所述人体搬运重物的肌电信号。
所述电机编码器放置在所述外骨骼装置的左右腿髋关节外侧，用于采集所述外骨骼装置的左右腿髋关节无刷直流电机码盘值；
所述信号采集与处理模块：将电机编码器所采集的电机码盘值通过信号处理算法分别计算出左右腿髋关节角度变化值，包括：外骨骼装置左腿髋关节角度变化值、外骨骼装置右腿髋关节角度变化值、外骨骼装置左腿髋关节角速度值、外骨骼装置右腿髋关节角速度值；
搬运模式切换运动控制模块：通过信号采集与处理模块获取运动控制模块中所需的数据，根据上述数据进行所述搬运状态切换运动控制模块中的逻辑判断，最后根据逻辑判断结果自动切换搬运状态。
所述电机驱动模块将上述左右腿髋关节的输出力矩值转化为驱动器的指令，从而发送指令驱动电机辅助人体搬运。
所述人机交互模块将人所设定的最大力矩值作为限制条件，可由人机交互界面按键设置对应的最大力矩，达到舒适。
2.一种助力外骨骼机器人的搬运状态切换控制方法，根据权利要求1一种主动式腰部助力外骨骼控制系统所述，其特征在于，包括以下步骤：
1、进入无动力模式并且周期进入步骤2；
2、获取肌电传感器的多通道肌电信号，如果肌电信号超过设定的肌电信号阈值，则执行步骤3；否则，执行步骤1；
3、获取左腿髋关节、右腿髋关节无刷直流电机编码器角度值，判断左右腿髋关节的角度值是否大于起身角度阈值，若是，执行步骤5(物体从下往上搬运模式逻辑图，见图3)，否则执行步骤4；
4、判断髋关节角度值是否小于下蹲角度阈值，若是，执行步骤6，否则执行步骤1；
5、获取左腿髋关节、右腿髋关节无刷直流电机编码器角速度值，并判断条件a；
条件a：判断左右腿髋关节角度值是否小于起身角度阈值且左右腿髋关节角速度大于起身速度阈值，若是，则执行起身平滑助力指令，否则执行条件b；
条件b：判断左右腿髋关节角度值是否大于下蹲起身角度阈值且左右腿髋关节角速度大于下蹲速度阈值，若是，则执行下蹲平滑助力指令，否则执行条件c；
条件c：判断左右腿髋关节编码角度值是否大于起身的角度阈值且小于起身的速度阈值，若是，则结束助力状态且执行步骤1；否则执行上一次助力指令并执行条件a；
6、获取左腿髋关节、右腿髋关节无刷直流电机编码器角速度值，并进入条件d；
条件d：判断左右腿髋关节角度值是否大于下蹲角度阈值且左右腿髋关节角速度大于下蹲速度阈值，若是，则执行下蹲平滑助力指令，否则执行条件e；
条件e：判断左右腿髋关节角度值是否小于起身角度阈值且左右腿髋关节角速度大于起身速度阈值，若是，则执行起身平滑助力指令，否则执行条件f；
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