CN110916970B - 一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置及方法，包括用于实现下肢机器人与减重车协同运动控制的控制器；所述的控制器包括步态信息采集模块、速度控制模块、电机驱动模块；所述的步态信息采集模块，用于实时接收下肢机器人发送的步态信息；所述的速度控制模块，在下肢机器人起步时根据下肢机器人的步态信息计算出减重车的速度并将速度信息发送至电机驱动模块；电机驱动模块接收速度控制模块发送的减重车速度信息并驱动减重车直线跟随下肢机器人。本发明利用下肢机器人和减重车整体系统运动停止时产生的惯性位移用以克服开环控制产生的系统误差，最终实现减重车与下肢机器人的协同运动。

Description

一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置及方法。

背景技术

在临床上的各种患者(如脑卒中、脊髓损伤、骨折术后等引起的下肢运动功能障碍的恢复期患者)的下肢康复期，需要辅助设备进行减重支撑的辅助设备。目前在临床上没有太多的训练设备，而且康复需求不断扩大，然而专业康复人员缺乏；一对一模式人力成本高且耗时费力。为解决这些康复训练过程中出现的问题，急需安全、定量、有效及可进行重复训练的新技术。

鉴于现有市场上多数采用单一的下肢恢复机器人进行恢复治疗，可适用的病患病程具有相当大的局限性。对于基本无自理能力的病患来说，单独的恢复机器人不能满足恢复训练的要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置及方法，将减重车和下肢康复机器人结合使两者同步运动、保证安全，使之能适用于更多病程的病患，减少专业康复人员的使用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括：一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置，其特征在于，包括用于实现下肢机器人与减重车协同运动控制的控制器；所述的控制器包括步态信息采集模块、速度控制模块、电机驱动模块；

所述的步态信息采集模块，用于实时接收下肢机器人发送的步态信息，得出当前下肢机器人是否起步、步长以及步态周期；

所述的速度控制模块，在下肢机器人起步时根据下肢机器人的步态信息计算出减重车的速度并将速度信息发送至电机驱动模块；

电机驱动模块接收速度控制模块发送的减重车速度信息并驱动减重车直线跟随下肢机器人。

所述的下肢机器人具有髋关节屈伸自由度和膝关节屈伸自由度，其为现有技术。

优选的，速度控制模块根据下肢机器人的步长L、步态周期T计算出减重车的速度S＝L/T，使电机驱动模块驱动减重车以S的速度行驶；

在下肢机器人和减重车停止移动(即控制器接收到下肢机器人发送的收步信息，控制器驱动减重车停车)时，下肢机器人和减重车产生惯性位移。

优选的，所述的减重车包括跟随模式开关；所述的控制器还包括跟随模式切换模块，跟随模式切换模块接收跟随模式开关的开闭信息并使得步态信息采集模块、速度控制模块、电机驱动模块开始工作或停止工作。在跟随模式中，减重车始终跟随下肢机器人，即下肢机器人不动，减重车也不动；当下肢机器人开始行走，则减重车从停车状态变成以S的速度行驶。

所述的减重车包括急停开关；所述的控制器还包括急停模块，急停模块接收急停开关的急停信息并使得步态信息采集模块、速度控制模块停止工作，并通过电机驱动模块、电机使减重车制动停车；电机驱动模块用于控制电机。即，当急停开关被拍下，急停模块检测到急停动作触发，发送指令给电机执行制动，电机立刻停机。

优选的，控制器采用CAN总线、MODBUS、TCP/IP或EtherCAT通讯的方式接收下肢机器人步态信息，控制器每隔5-15ms接收一次实时步态信息。采用不同的通讯方式均可获得相似的通讯效果，如MODBUS，TCP/IP，EtherCAT等工业通讯协议。

当控制器接收到迈步信息，则使减重车同步向前运动设定步长的半步距离；当控制器接收到跨步信息，则使减重车同步向前运动设定步长的距离；当控制器接收到收步信息，则使减重车停车制动。

速度控制模块根据不同的步长步态(L、T)调整减重车行驶速度。

本发明还提供一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的方法，包括如下步骤：控制器实时接收下肢机器人发送的步态信息，得出当前下肢机器人是否起步、步长以及步态周期；在下肢机器人起步时根据下肢机器人的步态信息计算出减重车的速度并将速度信息发送至电机驱动模块；电机驱动模块接收速度控制模块发送的减重车速度信息并驱动减重车直线跟随下肢机器人；当控制器接收到下肢机器人发送的收步信息(即机器人正在收步、即将停止行走)，控制器驱动减重车停车，由于下肢机器人和减重车的惯性(该惯性是所有移动中的物体突然停止时都有的)，停车过程中下肢机器人和减重车产生惯性位移。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明利用下肢机器人和减重车整体系统运动停止时产生的惯性位移用以克服开环控制产生的系统误差。其中惯性产生的位移为实验值。开环系统由于信号传递以及机械等各方面的误差，实际运动距离与下发的位置信号有一定的微小误差，因此整体系统运动的惯性克服此微小误差，最终实现减重车与下肢机器人的协同运动。

附图说明

图1-图2为腰撑组件与外骨骼机器人的连接示意图；

图3为一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动系统示意图；

图4为腰撑的结构图；

图5为被动减重机构的结构图；

图6-7为主动辅助重心转移机构的结构图；

图8-9为底盘驱动装置的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置，包括用于实现下肢机器人与减重车协同运动控制的控制器；所述的控制器包括步态信息采集模块、速度控制模块、电机驱动模块；

所述的步态信息采集模块，用于实时接收下肢机器人发送的步态信息，得出当前下肢机器人是否起步、步长以及步态周期；

所述的速度控制模块，在下肢机器人起步时根据下肢机器人的步态信息计算出减重车的速度并将速度信息发送至电机驱动模块；

电机驱动模块接收速度控制模块发送的减重车速度信息并驱动减重车直线跟随下肢机器人。

优选的，所述的下肢机器人具有髋关节屈伸自由度和膝关节屈伸自由度。

优选的，速度控制模块根据下肢机器人的步长L、步态周期T计算出减重车的速度S＝L/T，使电机驱动模块驱动减重车以S的速度行驶；在下肢机器人和减重车停止移动时，下肢机器人和减重车产生惯性位移。

所述的减重车包括跟随模式开关；所述的控制器还包括跟随模式切换模块，跟随模式切换模块接收跟随模式开关的开闭信息并使得步态信息采集模块、速度控制模块、电机驱动模块开始工作或停止工作。

所述的减重车包括急停开关；所述的控制器还包括急停模块，急停模块接收急停开关的急停信息并使得步态信息采集模块、速度控制模块停止工作，并通过电机驱动模块、电机使减重车制动停车。

控制器采用CAN总线、MODBUS、TCP/IP或EtherCAT通讯的方式接收下肢机器人步态信息，控制器每隔5-15ms接收一次实时步态信息。

当控制器接收到迈步信息，则使减重车同步向前运动设定步长的半步距离；当控制器接收到跨步信息，则使减重车同步向前运动设定步长的距离；当控制器接收到收步信息，则使减重车停车制动。

速度控制模块根据不同的步长步态(L、T)调整减重车行驶速度：即当控制器的步态信息采集模块接收到机器人的不同步长、步态周期，则速度控制模块根据新的步长、步态周期计算出减重车的新的速度并将新的速度信息发送至电机驱动模块，电机驱动模块驱动减重车以新的速度行驶。

如图1-2所示，减重车(即康复减重步行训练车，其上部设有减重悬吊装置，减重悬吊装置为现有技术)、下肢机器人(下肢康复机器人，其为现有技术)相互连接，具体地，下肢机器人通过插销32(也可以为其它紧固装置)与腰撑组件10端部的机器人安装板22连接以实现快速拆装，更具体地，下肢机器人髋关节上方的侧板上设有销孔44，插销32穿过销孔44和机器人安装板22上的销孔以实现下肢机器人、机器人安装板的相互固定，即下肢机器人和腰撑组件的连接处位于下肢机器人左、右髋关节上方。腰撑组件为2个且对称设置，用于与下肢机器人上部的左、右端固定连接，下肢机器人左、右侧的侧板的销孔均为至少2个且对称设置。

腰撑组件固定于腰撑固定板9上；通过插销将腰撑固定板固定于扶手组件的扶手安装板38a上，而扶手安装板固定于车体滑块43上，车体两侧的车体滑块43可沿着竖向的车体两侧滑轨40滑动，此外，腰撑固定板可与动力机构连接，在动力机构驱动下可实现腰撑固定板、扶手安装板、腰撑组件、下肢机器人、滑块同步上下移动。值得一提的是，即便没有主动辅助重心转移机构，下肢机器人行走时的重心起伏也可以使腰撑组件等一起上下移动。

主动辅助重心转移机构包括伺服电机1、第一丝杆7(其为滚珠丝杆)、第一螺帽4、腰撑连接座6等，第一螺帽4位于第一丝杠上且与第一丝杆螺纹连接，在第一丝杆旋转时第一螺帽上下移动；第一螺帽通过腰撑连接座连接腰撑固定板9，第一螺帽、腰撑连接座、腰撑固定板同步运动。由于腰撑固定板连接丝杆组件，且腰撑固定板通过滑座连接被动减重机构的固定安装板，因此，当丝杆螺帽组件带动腰撑固定板上下移动时整个腰撑组件跟随腰撑固定板一起上下移动。腰撑连接座位于两个被动减重机构之间，且腰撑连接座与任意一个被动减重机构之间的距离相同(图6-7)。

伺服电机1通过联轴器2连接丝杆固定座3，丝杆固定座3用于固定第一丝杆7的一端，第一丝杆7的另一端固定于第一丝杆滑座8中，第一丝杆滑座可在车体下部横杆33的滑动槽中滑动，滑动是指滚珠丝杆旋转过程中丝杆端部的滑动(其为现有技术)。

腰撑组件包括被动减重机构(其为中国专利申请号201910705945.6、一种用于康复训练的外骨骼机器人的减重装置)，所述的被动减重机构包括：预紧力产生机构；与预紧力产生机构连接，且通过支点传递预紧力的支撑连接杆；与支撑连接杆连接的机器人安装板。

优选的，所述的腰撑组件包括安装宽度调节机构、与腰撑固定板直接或间接地滑动连接的两个机器人安装板，安装宽度调节机构通过使两个机器人安装板向相反的方向横向滑动以放宽或收紧两个机器人安装板之间的距离。

在一个实施例中，所述的预紧力产生机构包括由上向下依次连接的固定连接座、导向杆、导向管、调节螺母和运动连接座；缓冲弹簧套接在导向杆和导向管的外周，同时限位在调节螺母和固定连接座之间，且所述的运动连接座的下部与支撑连接杆的受力端连接。

腰撑盖(如图1所示10所指向位置)作为被动减重机构中除了机器人安装板以外的其它所有结构的遮挡外壳，不影响被动减重机构的横向平移，也不影响腰撑组件的上下移动(腰撑组件上下移动是因为额外的升降动力机构或者下肢机器人行走时重心起伏带动其移动)。

如图4所示，腰撑组件10包含被动减重机构、丝杆组件，被动减重机构如图5所示，被动减重机构为2个；丝杆组件包括滑座26、滑轨27、第二丝杆28、第二螺帽29、手轮30、丝杆连接座34、丝杆连接板35。

其中滑轨为两个，横向平行设置于腰撑固定板的上下两端，腰撑固定板沿车体左右延伸且基本水平设置，使用时腰撑固定板的高度对准待康复人体腰部。第二丝杆为左右旋螺纹丝杠，有两个第二螺帽，第二丝杠的旋转使得两个第二螺帽直线运动且运动方向相反，使两个被动减重机构呈左右对称同时向内或向外滑动(两者运动方向相反)，向外指向靠近丝杆端部的方向移动，向内则反之。

腰撑固定板的两端与丝杆连接板35连接，丝杆连接板基本垂直于腰撑固定板，第二丝杆穿过两个丝杆连接板35且第二丝杆的至少一端位于丝杆连接板之外且该端部连接手轮。被动减重机构的固定安装板的侧面连接滑座，滑座可在腰撑固定板的滑轨上滑动；固定安装板18的正面连接丝杆连接座34，丝杆连接座34与第二螺母固定连接，当第二螺母直线运动时带动丝杆连接座、固定安装板、滑座一起横向滑动，而由于固定安装板是被动减重机构的一部分，因此被动减重机构也整体滑动，使得两个机器人安装板之间的距离可调整，适用于不同体型的待康复人体。

腰撑组件主要由腰撑固定板，两根滑轨、四个滑座、两套被动减重机构(被动减重机构内部包含缓冲弹簧)、两个第二螺帽、第二丝杆以及手轮等构成。其中两套被动减重机构呈左右对称固定于四个滑座上，同时其内部通过第二螺帽与第二丝杆螺纹连接，当转动手轮带动第二丝杆旋转时，因第二丝杆为左右螺丝丝杆，被动减重机构会呈左右对称同时向内或向外滑动以适应不同体态的患者。腰撑组件的机器人安装板与外骨骼机器人31通过左右两侧各两个第二插销32进行连接以实现快速拆装，具体见图1。

被动减重机构如图5所示，固定连接座11的下部连接一导向杆12，为了保证后续缓冲弹簧的压缩形变情况以及受力强度，在导向杆12的下部连接更大直径的导向管14，而在导向管14的下部则连接有调节螺母15，调节螺母15的下部连接运动连接座16，而在调节螺母15和固定连接座11之间的导向杆12和导向管14的外周还套接有缓冲弹簧13，以上结构形成预紧力产生机构。固定连接座11固定不动(固定于减重车)，运动连接座可跟随腰撑组件上下移动。导向杆插入导向管中，运动连接座16的上下运动过程中，由于固定连接座始终不动，与固定连接座固定连接的导向杆也固定不动，导向杆伸入导向管内的那部分导向杆长度发生变化。

运动连接座16的下部与支撑连接杆24的其中一端连接，支撑连接杆24的这一端成为受力端，支撑连接杆24的中部与支撑座23连接，支撑座23形成支撑连接杆24的力的支点，支撑连接杆24的另一端则与其中一个固定支座19连接，该固定支座19设置在平衡板21的下端，平衡板21与机器人安装板22平行设置且固定连接，平衡板21的上端同时连接另一固定支座19，两个固定支座19、平衡板21和机器人安装板22共同通过螺栓连接为一个整体。

平衡板21上端的固定支座同时连接平衡杆20，平衡杆20的另一端连接第三个固定支座19，第三个固定支座19同时与固定安装板18的上端连接，固定安装板18平行平衡板21设置，且安装板18的下端与支撑座23连接，此时，三个固定支座19和一支撑座23形成四个连接点，而支撑连接杆24、平衡板21、平衡杆20和固定安装板18则为四条边，以上结构共同形成四点支撑机构。

固定安装板18上端在第三个固定支座19的背面还连接单耳连接座17，单耳连接座17同时与固定连接座11连接(例如铰接等活动连接方式，即单耳连接座跟随整个腰撑组件运动，实际上，整个腰撑组件中除了固定连接座、导向杆以外，其余结构均在升降动力机构作用或机器人行走时的重心上下起伏下上下移动)，同时，固定安装板18还与训练车的腰撑固定板9滑动连接，在康复训练中，外骨骼机器人和训练车通常配合使用，在本实施例中，机器人安装板22为一L型板，其与外骨骼机器人固定连接。

工作原理：缓冲弹簧始终处于压缩状态(具有预紧力，可通过调节调节螺母位置或在组装被动减重机构时使调节螺母处于导向管的特定位置(比如下部)而实现)，缓冲弹簧13压缩产生预紧力作用在与调节螺母15相连接的运动连接座16上；运动连接座16将力传给支撑连接杆24；支撑连接杆24以支撑座23为力支点将力传给固定支座19；固定支座19与平衡板21、机器人安装板22通过螺栓连接为一个整体；最终缓冲弹簧13的预紧力通过机器人安装板22作用在外骨骼机器人上(缓冲弹簧给机器人安装板提供向上的作用力)，以抵消外骨骼机器人自身重力。

而平衡杆20、支撑连接杆24、固定支座19、支撑座23组成的四点支撑杆机构，保证了机器人安装板22始终处在水平位置并做上下运动；缓冲弹簧13在外骨骼机器人行走过程中抵消主动辅助重心转移机构上下移动对外骨骼机器人和患者的冲击力，并在外骨骼机器人行走过程中，给予外骨骼机器人一定的起重助力。

实际上，缓冲弹簧始终处于压缩状态，区别仅在于压缩的程度不同。

训练车开始工作时(例如患者穿戴上外骨骼机器人后行走，行走模式为被动模式即完全由外骨骼机器人带动患者行走；或者主动模式即由患者自己带动外骨骼机器人一起行走)，伺服电机-丝杆螺母结构带动腰撑连接座6、腰撑固定板9、腰撑组件10一起上下移动(腰撑组件在最下端与最上端之间来回移动)。

当伺服电机-丝杆螺母结构使腰撑组件10向上移动时，腰撑固定板9、固定安装板18、运动连接座16向上移动，而固定连接座11固定不动，缓冲弹簧13被进一步压缩，向运动连接座16施加向下的回弹力，通过杠杆结构给予另一侧的机器人安装板向上的缓冲作用力，即弹簧在腰撑组件10上行过程中提供向上的缓和助力，可以减少主动辅助重心转移机构带来的冲击力，使得整个腰撑组件的上行过程更为柔顺。

当伺服电机-丝杆螺母结构使腰撑组件10向下移动时，腰撑固定板9、固定安装板18、运动连接座16向下移动，而固定连接座11固定不动，缓冲弹簧逐渐回弹伸长，此时缓冲弹簧仍处于压缩状态，给予另一侧的机器人安装板向上的缓冲作用力，可以抵消主动辅助重心转移机构带来的冲击力，使得整个腰撑组件的下行过程更为平缓柔顺。

减重车的底盘驱动装置包括左右对称设置的两组驱动组件，所述的驱动组件包括作为支点的铰链轴3’、用于安装铰链轴的连接板10’、分别固定于连接板上的铰链轴两侧的动力驱动机构以及前轮组件；动力驱动机构的重量大于前轮组件的重量，使动力驱动机构的驱动轮5’始终与地面接触(图8-9)。

两组驱动组件左右对称设置。以上结构中，铰链轴作为支点，动力驱动机构、前轮组件通过铰链轴构成类似跷跷板结构，前轮组件构成跷跷板的一端，动力驱动机构构成跷跷板的另一端。因动力驱动机构一端重量大于前轮组件一端，当动力驱动机构遇到凸起或者凹坑时，在重力作用下驱动轮将始终保持与地面接触状态，从而避免悬空或打滑。

在以上的底盘驱动装置基础上，还可以作如下改进。所述的驱动轮设置于训练车中前部，两组驱动组件的两个驱动轮的中心连线(沿左右方向延伸)与训练车站立位置(待康复人体站立于该位置，待康复人体即患者)的中心连线(沿左右方向延伸，以患者双腿平齐站立于训练车站立位置时患者两腿中心的连线为患者中心连线)重合，使训练车在转弯或掉头时两组驱动组件的两个驱动轮做差速运动从而使训练车以训练车站立位置为中心做旋转运动。

在以上的底盘驱动装置基础上，还可以作如下改进。动力驱动机构包括动力机构、用于将动力机构的动力传递给驱动轮的传动机构、始终与地面接触的所述的驱动轮，驱动轮固定于连接板的后侧。

优选的，所述的动力机构包括伺服电机6’、与伺服电机连接的减速机14’、与伺服电机连接的驱动器7’(即电机驱动器)，传动机构包括第二同步带轮11’、同步带12’(即同步齿轮带)、第一同步带轮13’，伺服电机、减速机、第二同步带轮、同步带、第一同步带轮、驱动轮依序连接。每组驱动组件设有一个驱动轮以及两个连接板，驱动轮安装于两连接板之间，图8中，另一侧的连接板被遮挡而没有在图中示出。第二同步带轮与减速机同轴设置，第一同步带轮与驱动轮同轴设置，第一同步带轮与第二同步带轮通过同步带连接。伺服电机、减速机分别通过电机安装板、减速机安装板安装在连接板上，且伺服电机、减速机安装于驱动轮的后方。

在以上的底盘驱动装置基础上，还可以作如下改进。前轮组件包括前轮2’、用于安装前轮的前轮安装板1’，前轮安装板固定于连接板前部。驱动组件还包括固定于主梁后侧的后轮9’。

在以上的底盘驱动装置基础上，还可以作如下改进。所述的连接板中部偏前位置与铰接座通过铰接轴铰接，铰接座4’固定于主梁8’下端，连接板中部偏前位置位于连接板前部与连接板后侧之间。

下肢机器人使用前，采集并输入病患的左右腿长L1，L2，估计步长L(实际每一步的步长会在15％范围内上下浮动，平均步长为L)，前进一步需要的时间T(实际每一步的步态周期会在15％范围内上下浮动，平均步态周期为T)。基于给定的相关数据可以计算出病患的估计行走速度L/T，机器人会以这个频率给予患者辅助行走的助力。具体地，患者的运动模式可以为被动模式，即患者完全在机器人带动下被动行走，而机器人的运动轨迹、步长、步态周期、步高等均为预设，在一次行走中，机器人的步长L、步态周期T不变，模拟整个过程为匀速。患者的运动模式也可以为主动模式，即患者带动机器人行走。

被动模式中，在病患行走的过程中，将步态分为三种，分别为迈步，跨步，收步。同时三种步态分为左右脚的行走步态。迈步指开始起步时候的步态，由双腿并拢到其中一只腿迈出半步(通常右腿迈步起步)步长为半步，迈步周期为T/2；跨步指行走过程中正常交叉跨步行走，跨整个步长，跨步周期为T；收步为由跨步到双腿并拢停止的过程，步长为半步，周期为T/2。

当步态进行过程中，减重车通过工业总线CAN通讯读取获得当前的机器人位置信息。位置信息包括当前的步态状态信息(起步，跨步，收步)，左右脚的前进顺序，位置信号处理如图1。读取到位置信号之后，下发运动信号至减重车电机，驱动减重车前进以跟上病患的行走进程。

具体地，下肢机器人与减重车控制器通过CAN总线连接。步态信息采集模块接收并解析由CAN总线传输的从下肢机器人发出的实时步态信息，在下肢机器人起步时(一开始减重车是静止状态)，速度控制模块根据步态信息采集模块接收并解析的步态信息(例如下肢机器人的步长L、步态周期T)计算出减重车的速度S＝L/T(例如当接收的CAN数据帧为跨步信息，步长330cm，步态周期3s，那么其初始速度为0.11m/s)，使电机驱动模块驱动减重车以S的初始速度行驶。控制器每隔10ms接收一次步态信息。电机驱动模块用于驱动电机，而该电机与减重车的驱动轮连接，以驱动减重车前进。

控制器通过位置字状态(CAN数据帧)来识别步态，控制器接收到的状态字下文中会举例说明。由于是开环系统，而且每一步的迈步时间可以确定，步态中各个姿态出现的时间可以确定，同时允许出现±10％的误差，由于误差时间出现的波动性，整个系统处在平衡中(也就是步态周期可以认为是T，步长是L)，也就是说这部分的误差在实际使用中不出现影响。数据帧的用例如下，

CAN数据帧格式：

B1～B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9

B1～B2：帧ID

B3：0x01--开始起步 0x02--当前步结束

B4：0x01--左脚跨步 0x02--右脚跨步 0x11--左脚起步 0x12--右脚起步

0x21--左脚收步 0x22--右脚收步

B5：步长低位

B6：步长高位

B7：步高

B8：迈步的时间单位10ms

B9：0x01—训练停止 0x02—训练开始

控制器在每个周期(通讯时刻)接收步态信息帧，然后根据信息内容控制减重车的运动状态。步态信息是根据CAN通讯数据得到的，由CAN总线直接读取下肢机器人的步态信息，控制器接收的CAN报文的每一帧数据都会包含步长、周期、步态等信息，控制器解析报文然后发送指令控制减重车运动。

例如：下肢机器人在某一个周期(通讯时刻)发送了一帧数据：[618 01 01 33 022F 5F 02]，减重车的控制器收到这一帧数据，解析出来的动作是，开始迈步且是左腿跨步，跨步距离(即步长)和时间(即步态周期)也都在这一帧数据内容里，计算得到减重车速度，然后控制电机使减重车开始运动；在这个过程中，减重车依旧会实时接收机器人发送的步态数据帧(10ms接收一次)，看是否改变运动状态，或者改变运动速度。因此，减重车控制器可以捕获到机器人的运动状态信息，然后根据信息进行相应的动作。当接收到的机器人步长L或步态周期T变化，则速度控制模块先以新的机器人步长L/步态周期T算出新的速度信息，并通过电机驱动模块、电机使减重车以新的速度行驶。

当控制器的步态信息采集模块接收到迈步信息，则减重车同步向前运动设定步长的半步距离；当控制器的步态信息采集模块接收到跨步信息，则使减重车同步向前运动设定步长的距离；以上距离不是由控制器直接控制的，而是只要不接收到收步信息，则减重车一直不停车制动，默认一直向前行驶。当控制器的步态信息采集模块接收到收步信息，则使减重车停车制动(具体地，当控制器的步态信息采集模块接收到收步信息，则将该收步信息发送至电机驱动模块，由电机驱动模块控制电机驱动减重车停车制动，减速度为固定的电机参数)。

在完成单次的步态跟随之后，由于是开环系统的处理方式，因此每一次的步行中均有一定量的误差。这些误差可能来自于下发位置信号的误差(比如步态信息通讯、信号传输带来的位置信息的延迟)，机械结构的误差等来源。同时由于减重车和下肢机器人的协同结构具有一定的弹性，结构本身的惯性克服了这部分误差，解决了开环系统不易解决系统误差的问题。

本发明的开环控制由电机位置插补进行位置控制，减重车前进的距离速度均由电机控制。开环系统信号传递为单向进行，经上层运动指令(即下肢机器人发送的步态信息CAN帧)输入同时读取编码器值获得当前电机位置信息，由控制器下发信号(如速度信息)至伺服驱动器，伺服驱动器下发电流等电位信号至伺服电机，最终由伺服电机转动完成该运动指令(伺服电机用于驱动减重车行走，伺服电机与减重车驱动轮连接)。

由于开环控制的特点，需要准确的位置速度输入值，本发明使用的电机位置控制如下(其为现有技术)。

上式中，N为发出的控制脉冲数，n为电机驱动器的脉冲细分数，θ为每个脉冲对应转动的角度值，d为车轮直径决定了每转一圈前进的距离。

为脉冲当量(决定定位精度)，i为传动速度比，L为车前进的距离。减重车前进的距离控制原理如上式所示。

本文中列举了减重车腰撑组件、底盘驱动装置、主动辅助重心转移机构等的具体结构，实际上本发明的重点在于协同运动装置及方法，协同运动的实现仅需下肢机器人与减重车连接即可(任何连接的方式均可，不局限于本文中的连接方式、具体结构)。

以上显示描述了本发明的基本原理、主要特征以及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落进要求保护本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置，其特征在于，包括用于实现下肢机器人与减重车协同运动控制的控制器；所述的控制器包括步态信息采集模块、速度控制模块、电机驱动模块；

所述的步态信息采集模块，用于实时接收下肢机器人发送的步态信息，得出当前下肢机器人是否起步、步长以及步态周期；

所述的速度控制模块，在下肢机器人起步时根据下肢机器人的步态信息计算出减重车的速度并将速度信息发送至电机驱动模块；

电机驱动模块接收速度控制模块发送的减重车速度信息并驱动减重车直线跟随下肢机器人；

速度控制模块根据下肢机器人的步长L、步态周期T计算出减重车的速度S=L/T，使电机驱动模块驱动减重车以S的速度行驶；

在下肢机器人和减重车停止移动时，下肢机器人和减重车产生惯性位移。

2.根据权利要求1所述的一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置，其特征在于，所述的下肢机器人具有髋关节屈伸自由度和膝关节屈伸自由度。

3.根据权利要求1所述的一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置，其特征在于，所述的减重车包括跟随模式开关；所述的控制器还包括跟随模式切换模块，跟随模式切换模块接收跟随模式开关的开闭信息并使得步态信息采集模块、速度控制模块、电机驱动模块开始工作或停止工作。

4.根据权利要求1所述的一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置，其特征在于，所述的减重车包括急停开关；所述的控制器还包括急停模块，急停模块接收急停开关的急停信息并使得步态信息采集模块、速度控制模块停止工作，并通过电机驱动模块、电机使减重车制动停车。

5.根据权利要求1所述的一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置，其特征在于，控制器采用CAN总线、MODBUS、TCP/IP或EtherCAT通讯的方式接收下肢机器人步态信息，控制器每隔5-15ms接收一次实时步态信息。

6.根据权利要求1所述的一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置，其特征在于，当控制器接收到迈步信息，则使减重车同步向前运动设定步长的半步距离；当控制器接收到跨步信息，则使减重车同步向前运动设定步长的距离；当控制器接收到收步信息，则使减重车停车制动。

7.根据权利要求1所述的一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的装置，其特征在于，速度控制模块根据不同的步长步态调整减重车行驶速度。

8.一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的方法，其特征在于，包括如下步骤：控制器实时接收下肢机器人发送的步态信息，得出当前下肢机器人是否起步、步长以及步态周期；在下肢机器人起步时根据下肢机器人的步态信息计算出减重车的速度并将速度信息发送至电机驱动模块；电机驱动模块接收速度控制模块发送的减重车速度信息并驱动减重车直线跟随下肢机器人；当控制器接收到下肢机器人发送的收步信息，控制器驱动减重车停车，由于下肢机器人和减重车的惯性，停车过程中下肢机器人和减重车产生惯性位移。

9.根据权利要求8所述的一种通过通讯实现减重车与下肢机器人协同运动的方法，其特征在于，当控制器接收到机器人步长或步态周期的变化，则速度控制模块根据新的步长、步态周期计算出减重车的新的速度并将新的速度信息发送至电机驱动模块，电机驱动模块驱动减重车以新的速度行驶。

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