CN112060055A - 一种穿戴式步行助力机器人及其混合助力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种穿戴式步行助力机器人及其混合助力控制方法，属于穿戴式机器人技术领域。该穿戴式步行助力机器人包括腰部穿戴单元、大腿绑定单元及髋关节屈曲/伸展驱动单元；大腿绑定单元包括大腿杆；腰部穿戴单元包括为板式结构的背部支架；在背部支架的两侧端部上，分别通过髋关节内收/外展关节机构而铰接有L型连接臂；大腿杆通过髋关节屈曲/伸展驱动单元而固定在该L型连接臂的外端部上，且使髋关节屈曲/伸展驱动单元的关节轴线与髋关节内收/外展关节机构的关节轴线相交于人体髋关节中心位置处。前述结构的改进能保证人体与助行机器人对应关节运动转轴重合，而消除人机干涉力，提高穿戴舒适性，可广泛用于老人等下肢无力人员的步行助力。

Description

一种穿戴式步行助力机器人及其混合助力控制方法

技术领域

本发明涉及穿戴式机器人及其控制方法技术领域，具体地说，涉及一种穿戴式步行助力机器人及其混合助力控制方法。

背景技术

截止到2018年末，我国60周岁及以上老年人口约2.49亿人，占总人口的17.9％；65周岁以上人口约达1.67亿人，占总人口的 11.9％。日趋严重的人口老龄化问题给社会带来了诸多影响，老年人生理机能衰退导致生活自理能力逐渐减弱，给家庭带来生活负担。其中因肌力衰弱引起的老年人步行能力降低就是重要原因之一，步行能力降低导致日常出门活动减少，长期坐姿或者卧床加速肌力衰退，引起压疮，便秘以及骨质疏松等其他疾病，形成恶性循环。

对于上述问题的有效解决手段为利用穿戴式步行助力机器人为老年人日常步行提供辅助，以期能增加下肢肌肉活动锻炼，延缓肌力。例如公告号为CN110151502A的专利文献公开了一种步行辅助装置，其包括设于使用者后背中部的主基板，在该主基板内设有控制模块和电源模块，并在主基板的两侧分别连接有左支架和右支架，主基板、左支架及右支架通过腰带绑定于使用者腰部，左支架和右支架端部均安装一旋转驱动组件，旋转驱动组件的驱动端分别连接有摆动臂，摆动臂通过绑带绑定于使用者大腿上；左支架端部还增设启动旋转驱动组件的按键开关，腰带上设有用于检测腰带张紧力的感应开关，按键开关、感应开关与控制模块电性串联。基于前述所设置的结构，能有效地改善传统步行辅助装置的结构，提高步行辅助装置安装的稳固性，通过多重开关控制步行辅助装置的启动，避免误操作造成的影响。前述步行辅助机器人在使用过程中存在以下问题，受限于整体结构尺寸限制，导致电机输出力矩偏小，使得实际辅助效果偏低；且存在内收/外展运动收到助行器阻力，造成穿戴使用不适的问题；且整体重心偏后而会对步行姿态造成一定影响。

对于步行辅助机器人的控制，通常为通过安装于大腿杆处的姿态传感器IMU检测大腿摆动角度，对比前后固定数量角度序列大小从而判断是处于前摆、后摆还是前摆切换到后摆或者后摆切换到前摆状态，例如公开号为CN109350459A的专利文献所公开的技术方案。该控制方法虽然简单，但在使用过程中，容易因传感器信号噪声影响出现误判，导致助行器与人体运动不协调的现象；同时其助力控制需要在检测到当前姿态数据经处理后再发送下一步助力控制指令，中间因传感器数据采集处理再到发送给电机控制器执行指令造成的延时会导致实际助行器应用过程中助力滞后现象。

对于前述控制方法的问题，目前的解决的方案为通过采集人体肌肉电信号，结合自适应振荡器算法预测类周期性步态轨迹，实现机器人对人体髋关节的精准助力；该方法虽然能够通过预测而消除助力延时，但是对步行周期性有一定要求，当穿戴者频繁变换步行节奏时，因无法准确预测导致助力时机紊乱影响协调性。或者通过相角振荡器准确识别出人体在每个步行周期内对应的步态相位，从而实现对应步态相位的准确助力控制，但是其存在通过姿态传感器检测到关节角度后才能计算得到当前状态下的助力值，不具备预测功能，助力仍受延时影响而存在滞后感。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种结构改进的穿戴式老年人步行助力机器人的混合助力控制方法，以能根据穿戴者步行节奏变化情况控制输出助力的同时，提高穿戴舒适性；

本发明的另一目的是提供一种适于使用上述混合助力控制方法的步行助力机器人，提高穿戴者的舒适性。

为了实现上述主要目的，本发明提供的混合助力控制方法所适配的穿戴式老年人步行助力机器人包括腰部穿戴单元、大腿绑定单元及髋关节屈曲/伸展驱动单元；大腿绑定单元包括大腿杆；在腰部穿戴单元的背部支架的两侧部上，分别通过髋关节内收/外展关节机构而铰接有连接臂；大腿杆通过髋关节屈曲/伸展驱动单元而固连在连接臂的外端部上，且使髋关节屈曲/伸展驱动单元的关节轴线与髋关节内收/外展关节机构的关节轴线相交于人体髋关节的中心位置处；混合助力控制方法包括以下步骤：

阶段识别步骤，基于位姿检测传感器所输出的位姿检测信息，识别出当前步行节奏处于变化阶段或平稳阶段；

变化阶段控制步骤，在步行节奏处于变化阶段时，基于相角振荡器识别出步态相位，计算髋关节屈曲/伸展驱动单元所输出与该步态相位相对应的助力数据；

平稳阶段控制步骤，在步行节奏处于平稳阶段时，基于自适应振荡器算法预测类周期性步态轨迹，结合布设在大腿杆上的位姿传感器所输出的关节角度数据，计算髋关节屈曲/伸展驱动单元所输出的助力数据。

在上述技术方案中，助行机器人除具有现有技术中的髋关节屈曲/伸展自由度驱动外，还增设了用于调整侧向步行平衡的髋关节内收/外展自由度，且将收/外展转轴与对应人体髋关节内收/外展转轴相交设置，从而能保证人体与助行机器人对应关节运动转轴重合，而消除人机干涉力，提高穿戴舒适性。并在助力控制过程中，结合相角振荡器对把节奏变化步态适应性强和自适应振荡器步态预测准确的特点，而在步行节奏频繁变化时采用基于相角振荡器的助力控制方法，允许其存在延时，而在步行节奏平稳时采用基于自适应振荡器的助力控制方法，通过准确预测步态实现无延时助力，从而能够更好地根据穿戴者步行节奏变化情况控制输出助力。

具体的方案为识别出当前步行节奏处于变化阶段或平稳阶段的步骤包括以下步骤：

预测步骤，基于位姿检测信息，利用自适应振荡器算法预测当前步行相位；

判断步骤，若所预测出的相位与检测信息所表征的相位之差小于预设阈值，则为平稳阶段，否则为变化阶段。

优选的方案为连接臂为L型连接臂；相对背部支架的主体结构， L型连接臂先朝外延伸，再朝前折弯而具有位于腰部穿戴单元两侧上的固连部；大腿杆固连于固连部上。

优选的方案为腰部穿戴单元包括与背部支架固连的胸部绑带与腰部绑带；在胸部绑带与腰部绑带之间固连有位于穿戴者腹部区域前侧的供电电池模块；穿戴式老年人步行助力机器人的控制模块固设在背部支架上。该技术方案通过将电池模块布置安装在助行机器人前部绑带处，调整其前后重量分配，使得助行器整机重心与人体正常步行过程中的重心尽可能重合，减少对人体步行姿态的影响。

优先的方案为摆动驱动模块包括旋转驱动电机及二级行星齿轮减速器，旋转驱动电机的定子与固定部固定连接，而二级行星齿轮减速器的输出轴与大腿杆固定连接。该技术方案能基于二级行星齿轮减速器而提高其所输出的转矩，有效地满足目前使用需求。

进一步的方案为摆动驱动电机为伺服电机。

为了实现上述另一目的，本发明提供的穿戴式老年人步行助力机器人包括供电电池模块、控制模块、腰部穿戴单元、大腿绑定单元及用于连接腰部穿戴单元与大腿绑定单元的髋关节屈曲/伸展驱动单元；大腿绑定单元包括大腿杆及大腿绑带；髋关节屈曲/伸展驱动单元包括摆动驱动模块，用于驱使大腿杆相对腰部穿戴单元前后摆动；腰部穿戴单元包括为板式结构的背部支架；在背部支架的两侧端部上，分别通过髋关节内收/外展关节机构而铰接有L型连接臂；相对背部支架的主体结构，L型连接臂先朝外延伸，再朝前折弯而具有位于腰部穿戴单元两侧上的固连部；大腿杆通过髋关节屈曲/伸展驱动单元而固定在固连部上，且使髋关节屈曲/伸展驱动单元的关节轴线与髋关节内收/外展关节机构的关节轴线相交于人体髋关节中心位置处。

在上述技术方案中，助行机器人除具有现有技术中的髋关节屈曲/伸展自由度驱动外，还增设了用于调整侧向步行平衡的髋关节内收/外展自由度，且将收/外展转轴与对应人体髋关节内收/外展转轴相交设置，从而能保证人体与助行机器人对应关节运动转轴重合，而消除人机干涉力，提高穿戴舒适性。

具体的方案为腰部穿戴单元包括与背部支架固连的胸部绑带与腰部绑带；在胸部绑带与腰部绑带之间固连有位于穿戴者腹部区域前侧的供电电池模块。该技术方案通过将电池模块布置安装在助行机器人前部绑带处，调整其前后重量分配，使得助行器整机重心与人体正常步行过程中的重心尽可能重合，减少对人体步行姿态的影响。

优选的方案为述摆动驱动模块包括旋转驱动电机及二级行星齿轮减速器，旋转驱动电机的定子与固定部固定连接，而二级行星齿轮减速器的输出轴与大腿杆固定连接。该技术方案能基于二级行星齿轮减速器而提高其所输出的转矩，有效地满足目前使用需求。

进一步的方案为摆动驱动电机为伺服电机。

附图说明

图1为本发实施例中穿戴式老年人步行助力机器人的后侧视角立体图；

图2为本发明实施例中穿戴式老年人步行助力机器人的前侧视角立体图；

图3为本发明实施例中穿戴式老年人步行助力机器人的侧视图；

图4为本发明实施例中摆动驱动电机的主视图；

图5为图4中的A-A向剖视图；

图6为本发明实施例中摆动驱动电机的结构分解图；

图7为本发明实施例中混合助力控制方法的工作流程图；

图8为本发明实施例中变化相角在步行时随着步行节奏的变化情况；

图9为本发明实施例中利用人体步行髋关节屈曲/伸展角度数据作为输入，通过AOs动态系统以学习该输入角度的变化规律，而获取角度学习预测值的曲线变化图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1至图6，本发明穿戴式老人步行助力机器人1包括供电电池模块10、控制模块、腰部穿戴单元2、大腿绑定单元3及用于连接腰部穿戴单元2与大腿绑定单元3的髋关节屈曲/伸展驱动单元；大腿绑定单元3包括大腿杆30及大腿绑带31，在大腿杆30的下端部上布设有位姿传感器11，该位姿传感器11在助力过程中向控制模块输出位姿检测数据；髋关节屈曲/伸展驱动单元包括摆动驱动模块4，用于驱使大腿杆30相对腰部穿戴单元2前后摆动，从而为穿戴者的步行提供摆动助力。

腰部穿戴单元2包括为板式结构的背部支架20期与该背部支架 20固连的胸部绑带21与腰部绑带22，供电电池模块10固设在胸部绑带与腰部绑带之间，并位于穿戴者腹部区域前侧，而控制单元的电路板等布设在背部支架20上。

在背部支架20的两侧端部201、202上，分别通过髋关节内收 /外展关节机构51与髋关节内收/外展关节机构52而对应地铰接有 L型连接臂53与L型连接臂54。对于L型连接臂的具体结构，在相对背部支架20的主体结构时，该L型连接臂先朝外延伸，再朝前折弯而具有位于腰部穿戴单元2两侧上的固连部530与固连部 540。

大腿杆30通过髋关节屈曲/伸展驱动单元而固定在固连部530 与固连部540上，且使髋关节屈曲/伸展驱动单元的关节轴线400与髋关节内收/外展关节机构的关节轴线500相交于人体髋关节中心位置处100。

在本实施例中，摆动驱动模块4包括筒状电机外罩40、旋转驱动电机41及二级行星齿轮减速器，该二级行星齿轮减速器包括内齿圈71、一级行星轮72、一级太阳轮73、一级行星轮轴74、一级行星架75、二级行星轮轴76、二级太阳轮77、二级行星轮78、减速器外罩79、二级行星架80、输出轴承81及盖板82；旋转驱动电机 41的定子通过盖板82而与L型连接壁的固定部固定连接，而二级行星齿轮减速器的输出轴与大腿杆30固定连接，从而利用二级行星齿轮减速器对旋转驱动电机41所输出的旋转扭矩进行放大之后，驱使大腿杆30摆动，而利用大腿绑带31绑定在穿戴者的大腿上而提供摆动助力。

在使用过程中，基于混合助力控制方法控制该穿戴式老人步行助力机器人1的输出助力，如图7所示，具体包括以下步骤：

阶段识别步骤S1，基于位姿检测传感器所输出的位姿检测信息，识别出当前步行节奏处于变化阶段或平稳阶段。

步行节奏频繁变化的变化阶段通常为步行速度切换过渡阶段，在本实施例中，对其判断为基于固设在大腿杆30上的位姿传感器 11获取该位姿检测数据。如图7所示，具体判断过程包括以下步骤：

预测步骤S11，基于前述位姿检测信息，利用自适应振荡器算法预测当前步行相位。

判断步骤S12，若所预测出的相位与前述检测信息所表征的相位之差小于预设阈值，则为平稳阶段，否则为变化阶段。

变化阶段控制步骤S2，在步行节奏处于变化阶段时，基于相角振荡器识别出步态相位，计算髋关节屈曲/伸展驱动单元所输出与该步态相位相对应的助力数据。

在变化阶段中，计算助力数据为采用相角助力法进行计算，助力数据为力矩τ，具体为按照下式进行计算。

τ＝c sinφ+d cosφ

其中，φ为预测出的相角。

平稳阶段控制步骤S3，在步行节奏处于平稳阶段时，基于自适应振荡器算法预测类周期性步态轨迹，结合布设在大腿杆上的位姿传感器所输出的关节角度数据，计算髋关节屈曲/伸展驱动单元所输出的助力数据。

在平稳阶段，采用误差角助力法计算助力数据，即计算力矩τ，具体为按照下式进行计算。

τ＝k·θ_error

其中，θ_error是预测的角度与实际测量得到的角度误差，k为计算比例。

对于上述平稳阶段与变化阶段具体计算方法还可采用现有技术中的其他计算方法，并不局限于上述两种方法。

基于相角振荡器(Phase Oscillator,PO)的助力控制对变化步态适应性强，但存在延时滞后，在步行节奏变化阶段用该方法进行助行器助力控制，在牺牲延时的条件下确保助力时机不紊乱，保障一定的协调性；基于自适应振荡器(Adaptive Oscillators,AOs)的助力控制在步行节奏变化小，周期性强时预较为精准，此时利用该方法可消除延时引起的滞后感，确保步行助力时机精准，增强其协调性。

相角的计算公式为

人体穿戴助行机器人在步行过程中，相角φ呈周期性振荡，如图8所示为步行时随着步行节奏的变化相角的变化情况；由图中变化趋势可知即使步行节奏变化，相角仍然保持不变；因此基于相角振荡器PO可以准确获取当前时刻步态周期，相应地给出助力驱动力矩。然而由于其无法预测步态轨迹，即人体髋关节屈曲/伸展角度值，因此存在助力延时，即助力在关节端实现的时候已距离姿态信号采集时刻过了一定延时。

而借助自适应振荡器AOs可以实现步态预测。利用人体步行髋关节屈曲/伸展角度数据作为输入，通过AOs动态系统可以学习该输入角度变化规律，得出角度学习预测值，如图9所示。在类周期稳定步行时，AOs动态系统对于角度预测值较为准确，可用气预测值判断对应步态周期，从而控制助行器提供相应的助力值。由于该方法是提前固定延时时间预测到角度值，发送给电机控制器的助力值为固定延时后的值，在关节端实现的助力恰好为固定延时后真实所需的助力值，因此避免了延时产生的滞后感。

在使用过程中，助行机器人1通过胸部绑带21和腰部绑带22 与人体躯干固定，同时通过其左右腿处的大腿绑带31与人体大腿固定。在人体步行时，安装于助行器大腿处的姿态传感器11检测到髋关节屈曲/伸展角度和角速度数据，从而通过基于PO和AOs混合的助力控制算法发送电机力矩控制信息给电机控制器，从而控制髋关节摆动，利用助行器大腿绑带31传递助力至人体大腿，辅助人体步行。在本实施例中，整机系统质量小于5kg，持续运行时间1小时以上，助行器对人体步行运动意图识别准确率为100％，在人体步行节奏变换时，助力响应延时在100ms以内，伺服电机驱动的助力关节不存在明显力矩波动。

本发明具有以下优先点：

(1)在本实施例中，旋转驱动电机41选用额定输出扭矩 0.729Nm的伺服电机，由于减速器采用减速比为31.9的二级行星齿轮减速器，从而可使关节理论额定输出扭矩为23Nm，因此助行器髋关节屈曲/伸展驱动扭矩达到人体正常步行约30％，能有效地实现显著的步行助力效果。

(2)依据人体髋关节屈曲/伸展与内收/外展转轴位置，将该助行机器人的髋关节对应屈曲/伸展与内收/外展自由度位置，保证人体与助行器对应关节运动转轴重合，有效地确保人体穿戴助行器运动过程中不会因为运动自由度不匹配产生额外干涉力，即能消除人机干涉力。

(3)通过将电池模块10布置安装在助行机器人的前部绑带处，调整其前后重量分配，使得助行机器人的整机重心与人体正常步行过程中的重心尽可能重合，以减少助行机器人质量对人体步行姿态的影响。

(4)采用结合相角振荡器对把节奏变化步态适应性强和自适应振荡器步态预测准确的特点，设计混合助力控制方法，在步行节奏频繁变化时采用基于相角振荡器的助力控制方法，允许其存在延时，而在步行节奏平稳时采用基于自适应振荡器的助力控制方法，通过准确预测步态实现无延时助力。

Claims (10)

1.一种穿戴式步行助力机器人的混合助力控制方法，所述穿戴式步行助力机器人包括腰部穿戴单元、大腿绑定单元及髋关节屈曲/伸展驱动单元；所述大腿绑定单元包括大腿杆；其特征在于，在所述腰部穿戴单元的背部支架的两侧部上，分别通过髋关节内收/外展关节机构而铰接有连接臂；所述大腿杆通过所述髋关节屈曲/伸展驱动单元而固连在所述连接臂的外端部上，且使所述髋关节屈曲/伸展驱动单元的关节轴线与所述髋关节内收/外展关节机构的关节轴线相交于人体髋关节的中心位置处；所述混合助力控制方法包括以下步骤：

阶段识别步骤，基于位姿传感器所输出的位姿检测信息，识别出当前步行节奏处于变化阶段或平稳阶段；

变化阶段控制步骤，在所述步行节奏处于变化阶段时，基于相角振荡器识别出步态相位，计算所述髋关节屈曲/伸展驱动单元所输出与该步态相位相对应的助力数据；

平稳阶段控制步骤，在所述步行节奏处于平稳阶段时，基于自适应振荡器算法预测类周期性步态轨迹，结合布设在所述大腿杆上的位姿传感器所输出的关节角度数据，计算所述髋关节屈曲/伸展驱动单元所输出的助力数据。

2.根据权利要求1所述的混合助力控制方法，其特征在于，所述识别出当前步行节奏处于变化阶段或平稳阶段的步骤包括以下步骤：

预测步骤，基于所述位姿检测信息，利用自适应振荡器算法预测当前步行相位；

判断步骤，若所预测出的相位与所述检测信息所表征的相位之差小于预设阈值，则为平稳阶段，否则为变化阶段。

3.根据权利要求1或2所述的混合助力控制方法，其特征在于：

所述连接臂为L型连接臂；

相对所述背部支架的主体结构，所述L型连接臂先朝外延伸，再朝前折弯而具有位于所述腰部穿戴单元两侧上的固连部；所述大腿杆固连于所述固连部上。

4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的混合助力控制方法，其特征在于：

所述腰部穿戴单元包括与所述背部支架固连的胸部绑带与腰部绑带；

在所述胸部绑带与所述腰部绑带之间固连有位于穿戴者腹部区域前侧的供电电池模块；

所述穿戴式步行助力机器人的控制模块固设在所述背部支架上。

5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的混合助力控制方法，其特征在于：

所述摆动驱动模块包括旋转驱动电机及二级行星齿轮减速器，所述旋转驱动电机的定子与所述固定部固定连接，而所述二级行星齿轮减速器的输出轴与所述大腿杆固定连接。

6.根据权利要求5所述的混合助力控制方法，其特征在于：

所述摆动驱动电机为伺服电机。

7.一种穿戴式步行助力机器人，包括供电电池模块、控制模块、腰部穿戴单元、大腿绑定单元及用于连接所述腰部穿戴单元与所述大腿绑定单元的髋关节屈曲/伸展驱动单元；所述大腿绑定单元包括大腿杆及大腿绑带；所述髋关节屈曲/伸展驱动单元包括摆动驱动模块，用于驱使所述大腿杆相对所述腰部穿戴单元前后摆动；其特征在于：

所述腰部穿戴单元包括为板式结构的背部支架；

在所述背部支架的两侧端部上，分别通过髋关节内收/外展关节机构而铰接有L型连接臂；相对所述背部支架的主体结构，所述L型连接臂先朝外延伸，再朝前折弯而具有位于所述腰部穿戴单元两侧上的固连部；

所述大腿杆通过所述髋关节屈曲/伸展驱动单元而固定在所述固连部上，且使所述髋关节屈曲/伸展驱动单元的关节轴线与所述髋关节内收/外展关节机构的关节轴线相交于人体髋关节中心位置处。

8.根据权利要求7所述的穿戴式步行助力机器人，其特征在于：

所述腰部穿戴单元包括与所述背部支架固连的胸部绑带与腰部绑带；

在所述胸部绑带与所述腰部绑带之间固连有位于穿戴者腹部区域前侧的所述供电电池模块。

9.根据权利要求7或8所述的穿戴式步行助力机器人，其特征在于：

所述摆动驱动模块包括旋转驱动电机及二级行星齿轮减速器，所述旋转驱动电机的定子与所述固定部固定连接，而所述二级行星齿轮减速器的输出轴与所述大腿杆固定连接。

10.根据权利要求9所述的穿戴式步行助力机器人，其特征在于：

所述摆动驱动电机为伺服电机。

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