CN112641603A - 一种外骨骼装置及外骨骼运动控制方法 - Google Patents

一种外骨骼装置及外骨骼运动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于动力外骨骼领域，涉及一种外骨骼装置及外骨骼运动控制方法，包括足部构件，所述足部构件与小腿连接采用具有矢状面的欠驱动自由度；所述足部构件包括：足底板，用于接触地面；双侧板，分别设于足底板的两侧，一侧板上设有能量扣，另一侧板上安装有绑带；所述能量扣与所述绑带能够扣接；红外传感装置，内置于一侧板中，用于检测足底板是否接触地面；光电传感器，内置于一侧板中，用于检测足底板的运动状态；足部IMU，内置于一侧板中，用于检测安装外骨骼装置的人体运动状态。本申请的技术方案有效解决现有技术中压力传感器频繁使用过程中易出现问题的情况。

Description

一种外骨骼装置及外骨骼运动控制方法
技术领域
本发明属于动力外骨骼领域，涉及一种外骨骼装置及外骨骼运动控制方法。
背景技术
下肢外骨骼机器人在医疗康复领域和军事领域具有广泛的应用前景。在医疗领域，下肢外骨骼机器人已经成功应用在多种康复治疗设备上。在军事领域，下肢外骨骼机器人主要应用在力量增强和负载增强方向，无论是康复设备还是力量增强型外骨骼需要涉及以下技术：人体步态运动感知和运动信息提取，针对不同的传感设备，外骨骼设备上的运动感知技术也不相同，对于全下肢助力外骨骼，常见的运动感知方式为在主动驱动关节放置角度传感器，足底放置压力传感器；对于单关节助力外骨骼，运动感知所使用的传感器为角度传感器和腿干处的IMU，在算法上做相应的识别。
助力行走设备如申请号为201610115314.5、名称为“连杆关节一体化液压驱动外骨骼控制系统”的中国发明专利文献，该专利文献中采用了足底压力传感器和腰部陀螺仪；例如申请号为201810039113.0、名称为“基于腿部姿态识别的下肢外骨骼控制系统及其实现方法”的中国发明专利文献，在机器人大腿腿干位置增加三轴加速度传感器和三轴角速度传感器以及在足底增加薄膜压力传感器识别人体的运动意图，采用串级PID闭环控制转矩电机输出最终转矩。
但申请人在实际应用过程中发现，现有技术存在如下缺陷：由于下肢外骨骼感知足部的运动趋势多使用的是压力传感器，此类传感器无论是使用液压或者薄膜压力传感器，由于频繁的与地面接触并产生碰撞，有易于损坏和不适配所有穿戴者的缺点，其次也不可避免的增加了维修成本，同时控制算法根据足部的运动状态进行运动控制，由于足部易于损坏的缺点，导致控制算法鲁棒性降低。导致用户体验较差，无法满足所有应用场景需求。
发明内容
本申请提供一种外骨骼装置及外骨骼运动控制方法，其有效解决现有技术中压力传感器频繁使用过程中易出现问题的情况。
为实现上述技术目的，本申请采取的技术方案为，一种外骨骼装置，包括足部构件，所述足部构件与小腿连接采用具有矢状面的欠驱动自由度；所述足部构件包括：
足底板，用于接触地面；
双侧板，分别设于足底板的两侧，一侧板上设有能量扣，另一侧板上安装有绑带；所述能量扣与所述绑带能够扣接；
红外传感装置，内置于一侧板中，用于检测足底板是否接触地面；
光电传感器，内置于一侧板中，用于检测足底板的运动状态；
足部IMU，内置于一侧板中，用于检测安装外骨骼装置的人体运动状态。
作为本申请改进的技术方案，所述足部构件相对于小腿连接的自由度采用双向轴承实现。
作为本申请改进的技术方案，还包括小腿节点板与主控制器；所述红外传感器、光电传感器以及足部IMU均通过电气走线连接于小腿节点板，所述小腿节点板通过外骨骼装置内置的CAN总线连接于主控制器。
本申请的另一目的是提供一种外骨骼装置的外骨骼控制方法，包括如下步骤：
初始化主控制器，并获取足部构件中的红外传感装置、光电传感器以及足部IMU的基准值；
获取当前外骨骼装置中的下肢关节角度信息和背部IMU角度信息，主控制器确定步态控制方案；
获取当前足部IMU所采集人体矢状面的角度信息和光电传感器的传感信息，并对其数据处理；
数据处理完成后，对历史运动数据进行最小二乘法取斜率；再根据足底状态机对单腿的运动状态进行识别；
当识别出人的单腿动作为落地状态，此时，对左关节的交互力Fl_A和右关节的交互力Fr_A均规划为0；在当识别出的人的动作为抬腿时，根据左腿的主动驱动的关节角度信息和右腿的主动驱动的关节角度信息，进行交互力规划；
交互力规划完成后，通过PID控制器控制转矩电机输出力矩，进而控制运动过程中的交互力。
作为本申请改进的技术方案，主控制器确定步态控制方案：
如果当前角度数据显示为人体直立状态，则步态控制方案会切换至行走助力控制阶段；
如果当前角度数据信息显示人体为匍匐状态，则步态控制方案会将交互力始终规划为0，并控制PID控制器控制转矩电机输出力矩。
作为本申请改进的技术方案，获取当前足部IMU采集人体矢状面的角度信息和光电传感器的传感信息，并对其数据处理；
依次进行卡尔曼滤波处理与数据归一化处理，得到数据θf；
并进行如下处理：
Figure BDA0002842518300000031
其中θb为上电后，系统在初始化过程中获得的足部IMU传感器数据基准值。作为本申请改进的技术方案，根据足底状态机对单腿的运动状态进行识别，包括
若足部构件为站立状态或悬空状态，在光电传感器检测为0，足底角度斜率大于正向阈值时，足部构件将进行抬脚运动；
若足部构件为抬脚状态或落脚状态，光电传感器检测为0，足底角度斜率介于正向阈值和负向阈值之间，足部构件将进行悬空；
若足部构件为悬空状态，光电传感器检测为0，足底角度斜率小于负向阈值，足部构件将进行落脚运动；若足部构件为落脚状态，光电传感器检测为0，足底角度斜率小于负向阈值，足部构件将进行抬脚运动；若足部构件为落脚状态，光电传感器检测为0，足底角度斜率小于负向阈值，足部构件将进行抬脚运动；
若足部构件为落脚状态，光电传感器检测为1，足底角度斜率介于正负向阈值之间，足部构件将进行站立。
作为本申请改进的技术方案，进行交互力规划包括：
Figure BDA0002842518300000041
其中θl为左大腿的足部IMU的Pitch方向的角度数据；
θr为右大腿的足部IMU的Pitch方向的角度数据；
K为调整的增益系数，用于调整运动过程中的助力大小。
相对于现有技术：
本申请采用红外传感器、IMU和光电开光代替现有技术中的压力传感器，避免传感器在足部构件使用过程中因受到压力而变形。
本申请采用红外传感器、IMU和光电传感器能实现根据足部构件当前运动状态对足部构件运动状态进行预测，有效提高足部构件使用寿命，保证足部构件的稳定可靠的性能。
本申请针对于全下肢结构，具有采用人体的下肢角度规划力矩，规划的交互力与人体的运动规律相适配，具有良好的鲁棒性，而在非助力时刻，由于规划的交互力被置零，所以该系统会跟随人体的运动，不会出现明显的阻滞感。
综上，此申请是由于结构上的改进，既提升了使用寿命，也提升了控制算法的鲁棒性,能够实现人体运动意图的识别和对应的运动控制.
附图说明
图1绘示外骨骼足底结构示意图；图中，1.能量扣；2、绑带；3、足底板；4、侧板；5、电气走线。
图2绘示本申请外骨骼足底结构的电气通讯连接示意图；
图3绘示本申请外骨骼足底结构的运动状态识别图；
图4绘示足底运动状态机图；
图5绘示足底数据处理前图；
图6绘示足底数据处理后图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
传统外骨骼在智能鞋上的传感器类型选择上通常为压力传感器，使用过程中容易出现问题。针对于此，本申请对其采用了稳定可靠的传感器(红外传感器，光电传感器和足部IMU)，该传感器不会受限于使用环境的恶劣，提升系统的寿命；针对于此传感器，本申请在设备上既定了一套对应的运动意图识别和控制方法，以实现运动意图的监测和运动控制。
具体如下：
实施例1
如图1所示，一种外骨骼装置，包括足部构件，所述足部构件与小腿连接件采用具有矢状面的欠驱动自由度(在该关节没有外部输入(如电机或者液压管)主动驱动此关节)；所述足部构件包括：
足底板3，用于接触地面；
双侧板，分别设于足底板的两侧，一侧板4上设有能量扣，另一侧板上安装有绑带；所述能量扣1与所述绑带2能够扣接；
红外传感装置，内置于一侧板中，用于检测足底板是否接触地面；
光电传感器，内置于一侧板中，用于检测足底板的运动状态；
足部IMU，内置于一侧板中，用于检测安装外骨骼装置的人体运动状态。
作为本申请改进的技术方案，所述足部构件相对于小腿连接的自由度采用双向轴承实现。
作为本申请改进的技术方案，如图2所示，还包括小腿节点板与主控制器；所述红外传感器、光电传感器以及足部IMU均通过电气走线5连接于小腿节点板(设有MCU)，所述小腿节点板通过外骨骼装置内置的CAN总线连接于主控制器。
实施例2
如图3所示，一种外骨骼装置的外骨骼控制方法，简述后，上电后，初始化主控制器，即主控制器自动进入初始态；进行人体姿态识别；若检测为行走状态则进行行走助力控制；若检测为非行走状态，则进行跟随运动控制。
具体包括如下步骤：
初始化主控制器，并获取足部构件中的红外传感装置、光电传感器以及足部IMU的基准值；
获取当前外骨骼装置中的下肢关节角度信息和背部IMU角度信息，主控制器确定步态控制方案。其中，主控制器确定步态控制方案：
如果当前角度数据显示为人体直立状态，则步态控制方案会切换至行走助力控制阶段；
如果当前角度数据信息显示人体为匍匐状态，则步态控制方案会将交互力始终规划为0，并控制PID控制器控制转矩电机输出力矩。
获取当前足部IMU所采集人体矢状面的角度信息和光电传感器的传感信息，并对其数据处理。
获取当前足部IMU采集人体矢状面的角度信息和光电传感器的传感信息，并对其数据处理；
依次进行卡尔曼滤波处理与数据归一化处理，得到数据θf；
再进行如下处理：
Figure BDA0002842518300000081
其中θb为上电后，系统在初始化过程中获得的足部IMU传感器数据基准值。该种数据处理将下肢运动过程中冗余的信息剔除，与足部平稳着地时的传感数据比较，比平稳着地数据大，则保留，平稳着地时数据小，则强行置零。
如图5和图6所示，为采用公式(1)处理后的数据图。说明了采用该种数据处理方式，可与有效的降低运动过程中的噪声干扰，将运动过程中冗余的足部运动信息剔除，提取出了下肢尤其是足部数据的有效信息。
数据处理完成后，对历史运动数据进行最小二乘法取斜率；再根据足底状态机对单腿的运动状态进行识别。
如图4所示，根据足底状态机对单腿的运动状态进行识别，包括
若足部构件为站立状态或悬空状态，在光电传感器检测为0，足底角度斜率大于正向阈值时，足部构件将进行抬脚运动；
若足部构件为抬脚状态或落脚状态，光电传感器检测为0，足底角度斜率介于正向阈值和负向阈值之间，足部构件将进行悬空；
若足部构件为悬空状态，光电传感器检测为0，足底角度斜率小于负向阈值，足部构件将进行落脚运动；若足部构件为落脚状态，光电传感器检测为0，足底角度斜率小于负向阈值，足部构件将进行抬脚运动；若足部构件为落脚状态，光电传感器检测为0，足底角度斜率小于负向阈值，足部构件将进行抬脚运动；
若足部构件为落脚状态，光电传感器检测为1，足底角度斜率介于正负向阈值之间，足部构件将进行站立。
当识别出人的单腿动作为落地状态，此时，对左关节的交互力Fl_A和右关节的交互力Fr_A均规划为0；在当识别出的人的动作为抬腿时，根据左腿的主动驱动的关节角度信息和右腿的主动驱动的关节角度信息，进行交互力规划。
进行交互力规划包括：
Figure BDA0002842518300000091
其中，θl为左大腿的足部IMU的Pitch方向的角度数据；
θr为右大腿的足部IMU的Pitch方向的角度数据；
K为调整的增益系数，用于调整运动过程中的助力大小。
交互力规划完成后，通过PID控制器控制转矩电机输出力矩，进而控制运动过程中的交互力。
实施例3
具体的实施步骤如下：
步骤1.开机，系统初始化后自动进入初始态，辅助穿戴者直立，获取各类传感器的基准值。
步骤2.既定的程序识别人体的运动位姿状态，并根据人体的运动状态进行力矩规划和运动控制。
步骤3.由于该结构能辅助识别抬腿动作，在成功识别抬腿动作后，主动驱动关节的电机瞬间输出渐变力矩辅助人体抬腿，而在其余动作情况下由于交互力被规划为0，无明显的阻滞感。从而在实现辅助在持续运动过程中，给与人体助力。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种外骨骼装置，包括足部构件；所述足部构件与小腿连接采用具有矢状面的欠驱动自由度；其特征在于，所述足部构件包括：
足底板，用于接触地面；
双侧板，分别设于足底板的两侧，一侧板上设有能量扣，另一侧板上安装有绑带；所述能量扣与所述绑带能够扣接；
红外传感装置，内置于一侧板中，用于检测足底板是否接触地面；
光电传感器，内置于一侧板中，用于检测足底板的运动状态；
足部IMU，内置于一侧板中，用于检测安装外骨骼装置的人体运动状态。
2.根据权利要求1所述的一种外骨骼装置，其特征在于，所述足部构件相对于小腿连接的自由度采用双向轴承实现。
3.根据权利要求1所述的一种外骨骼装置，其特征在于，还包括小腿节点板与主控制器；所述红外传感器、光电传感器以及足部IMU均通过电气走线连接于小腿节点板，所述小腿节点板通过外骨骼装置内置的CAN总线连接于主控制器。
4.一种基于权利要求1-3任一所述的外骨骼装置的外骨骼控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
初始化主控制器，并获取足部构件中的红外传感装置、光电传感器以及足部IMU的基准值；
获取当前外骨骼装置中的下肢关节角度信息和背部IMU角度信息，主控制器确定步态控制方案；
获取当前足部IMU所采集人体矢状面的角度信息和光电传感器的传感信息，并对其数据处理；
数据处理完成后，对历史运动数据进行最小二乘法取斜率；再根据足底状态机对单腿的运动状态进行识别；
当识别出人的单腿动作为落地状态，此时，对左关节的交互力Fl_A和右关节的交互力Fr_A均规划为0；在当识别出的人的动作为抬腿时，根据左腿的主动驱动的关节角度信息和右腿的主动驱动的关节角度信息，进行交互力规划；
交互力规划完成后，通过PID控制器控制转矩电机输出力矩，进而控制运动过程中的交互力。
5.根据权利要求4所述的一种基于外骨骼装置的外骨骼控制方法，其特征在于，主控制器确定步态控制方案：
如果当前角度数据显示为人体直立状态，则步态控制方案会切换至行走助力控制阶段；
如果当前角度数据信息显示人体为匍匐状态，则步态控制方案会将交互力始终规划为0，并控制PID控制器控制转矩电机输出力矩。
6.根据权利要求4所述的一种基于外骨骼装置的外骨骼控制方法，其特征在于，获取当前足部IMU采集人体矢状面的角度信息和光电传感器的传感信息，并对其数据处理；
依次进行卡尔曼滤波处理与数据归一化处理，得到数据θf；
并进行如下处理：
Figure FDA0002842518290000021
其中θb为上电后，系统在初始化过程中获得的足部IMU传感器数据基准值。
7.根据权利要求4所述的一种基于外骨骼装置的外骨骼控制方法，其特征在于，根据足底状态机对单腿的运动状态进行识别，包括
若足部构件为站立状态或悬空状态，在光电传感器检测为0，足底角度斜率大于正向阈值时，足部构件将进行抬脚运动；
若足部构件为抬脚状态或落脚状态，光电传感器检测为0，足底角度斜率介于正向阈值和负向阈值之间，足部构件将进行悬空；
若足部构件为悬空状态，光电传感器检测为0，足底角度斜率小于负向阈值，足部构件将进行落脚运动；若足部构件为落脚状态，光电传感器检测为0，足底角度斜率小于负向阈值，足部构件将进行抬脚运动；若足部构件为落脚状态，光电传感器检测为0，足底角度斜率小于负向阈值，足部构件将进行抬脚运动；
若足部构件为落脚状态，光电传感器检测为1，足底角度斜率介于正负向阈值之间，足部构件将进行站立。
8.根据权利要求4所述的一种基于外骨骼装置的外骨骼控制方法，其特征在于，进行交互力规划包括：
Figure FDA0002842518290000031
其中θl为左大腿的足部IMU的Pitch方向的角度数据；
θr为右大腿的足部IMU的Pitch方向的角度数据；
K为调整的增益系数，用于调整运动过程中的助力大小。
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