CN114193511A - 一种基于imu的下肢外骨骼支撑域测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于IMU的下肢外骨骼支撑域测量方法，属于机器人控制技术领域，具体先在外骨骼足式机器人的各着地点安装IMU，建立三维空间位置关系，初始化各IMU的坐标原点；然后运行机器人完成动作，各IMU实时测量数据；通过在线或离线姿态解算得到各IMU不同时刻的姿态信息，对加速度进行坐标变换；采用零速检测算法判断各IMU在不同时刻是否处于静止状态，计算各IMU的位置信息，并记录静止时的位置信息，进而计算外骨骼足式机器人的支撑域信息。本发明相较于直接采集支撑域的仪器，可极大降低测试复杂度和测量成本，提升系统可操作性，并在外骨骼人机系统安全性评估方向，提出实际可行的实时监测系统和方法。
Description
技术领域
本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种基于IMU的下肢外骨骼支撑域测量方法。
背景技术
在机器人控制领域，无论是轮式、双足还是四足等机器人，平衡是保证其完成预期活动的首要前提。如果出现失衡问题，轻则毁坏机器，耽搁任务，重则机毁人亡，损失巨大，因此平衡检测及控制尤为重要。平衡的基本要求是重心落在或能够及时回到自身的支撑域中，因此想要完成平衡检测，支撑域的测量是重要前提，外骨骼人机系统更是如此。由于外骨骼的穿戴者是下肢功能障碍人群，人机系统需要随时考虑平衡性，以防因失衡造成的二次伤害。目前已经有一些外骨骼能够实现帮助这些肢体残疾的人群完成站立、行走等动作，但是对于平衡性这一关键的安全问题考虑甚少，整个外骨骼人机系统特别是穿戴者的安全性没有保证。对人机系统安全性考虑较少，主要是因为外骨骼穿戴者的身体参数不固定，行动环境千变万化等，造成外骨骼人机混合系统的支撑域计算十分困难，而这从源头上限制了安全性能的提升。
发明内容
针对上述现有技术中存在的因穿戴者身体参数和多变的外界环境造成的外骨骼人机混合系统的支撑域计算困难的问题，本发明提供了一种基于IMU(惯性测量单元)的下肢外骨骼支撑域测量方法，实现外骨骼足式机器人在线或离线的支撑域计算，为评估系统平衡状态打下坚实基础。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于IMU的下肢外骨骼支撑域测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在外骨骼足式机器人的各着地点分别安装IMU，并结合外骨骼足式机器人的模型结构，建立三维空间位置关系；
步骤2：初始化各IMU的坐标原点，使其均位于预设坐标原点；
步骤3：运行外骨骼足式机器人完成所需动作，同时各IMU实时测量数据；
步骤4：判断是否进行在线计算，若是，转至步骤5；否则，转至步骤6；
步骤5：实时采集各IMU测量的数据，包括加速度、角速度以及相对于地球磁场的角度数据，通过在线姿态解算得到由方向余弦矩阵表示的各IMU的当前姿态信息；采用方向余弦矩阵对加速度进行坐标变换，使IMU的坐标系数据变换为世界坐标系或支撑域坐标系，所述支撑域坐标系的原点位于预设坐标原点；转至步骤7；
步骤6：记录各IMU测量的数据，作为IMU数据包，包括加速度、角速度以及相对于地球磁场的角度数据，通过离线姿态解算得到由方向余弦矩阵表示的各IMU的姿态信息；采用方向余弦矩阵对加速度进行坐标变换，使IMU的坐标系数据变换为世界坐标系或支撑域坐标系，所述支撑域坐标系的原点位于预设坐标原点；转至步骤7；
步骤7：基于加速度、加速度方差以及角速度的阈值，采用零速检测算法判断各IMU在不同时刻是否处于静止状态，若未处于静止状态，则对加速度进行积分计算，获得对应IMU的速度与位置信息，用于下一次计算；否则，对IMU 进行零速修正后，再对加速度进行积分计算，获得对应IMU的位置信息，并记录；
步骤8：基于步骤7记录的各IMU的位置信息，计算外骨骼足式机器人的支撑域信息。
进一步地，步骤1中基于由外骨骼足式机器人的胸口重心和各IMU安装位置构成的稳定锥，建立三维空间位置关系。
进一步地，步骤1中安装IMU时，将各IMU的一个轴方向沿外骨骼足式机器人的连杆方向放置。
进一步地，步骤7中所述零速检测算法采用的具体计算公式如下：
Tk＝Tbegin-Tstop
C4＝C1∩C2∩C3
其中，C表示零速检测算法的结果，当C＝1时代表IMU当前处于静止状态，当C＝0时代表IMU当前处于非静止状态；Tk表示静止的时间阈值，一般情况下静止状态时间为0.1s至0.3s，因此小于0.1s的应当剔除；C4表示为C1、C2和 C3逻辑与的结果；C1表示加速度模值是否在加速度阈值范围内；|ak|为加速度模值；thmin和thmax分别为加速度模值的最小值和最大值；C2表示加速度方差是否在加速度方差阈值范围内；
为加速度方差；thσ为加速度方差的阈值；C3表示角速度模值是否在角速度阈值范围内；|ωk|为角速度模值；thω为角速度模值的阈值；Tbegin和Tstop分别为静止状态的开始时间和结束时间，当C4＝1时记当前时刻为Tbegin，当C4＝0时记当前时刻为Tstop。
进一步地，步骤7中处于静止状态时获得对应IMU的位置信息的具体过程为：
根据零速检测算法所判断的静止状态获得零速区间，以速度误差作为偏移量，以此得到更加准确的位置信息，具体计算公式如下：
其中，vbias(t)表示t时刻的速度偏移量；t0为零速区间的开始时刻；t1为零速区间的结束时刻；
表示t1时刻的速度；x表示位移量，即积分计算后IMU 的位置信息；v(t)表示t时刻的速度矢量。
进一步地，步骤8中将步骤7记录的各IMU的位置信息连接形成凸多边形，完成外骨骼足式机器人支撑域的多边形定义，从而计算得到支撑域。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种基于IMU的下肢外骨骼支撑域测量方法，实现对实际环境中外骨骼足式机器人支撑域的在线或离线计算，相较于直接采集支撑域的仪器，本发明所述方法可极大降低测试复杂度和测量成本，提升系统可操作性。在外骨骼人机系统安全性评估方向，提出实际可行的实时监测系统和方法。
附图说明
图1为本发明实施例1采用的外骨骼双足机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例1提出的基于IMU的下肢外骨骼支撑域测量方法的流程图；
图3为本发明实施例1提出的外骨骼双足机器人的胸口重心投影点与支撑域的相对位置示例图；
附图标记如下：
1：外骨骼穿戴者；2：外骨骼穿戴者；3：外骨骼髋关节；4：外骨骼拐杖； 5：外骨骼大腿部分机械连杆；6：外骨骼膝关节；7：外骨骼小腿部分机械连杆； 8：外骨骼踝关节；9：IMU。
具体实施方式
为了对本发明技术路线进行详细的阐述，故提出以下实例。需要注意的是接下来的实施例仅仅是为了辅助阐述本发明的技术路线，只作为示例，不能限制本发明的保护范围。
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例1
本实施例采用如图1所示的外骨骼双足机器人，包括外骨骼穿戴者1、外骨骼穿戴者2、外骨骼髋关节3、外骨骼拐杖4、外骨骼大腿部分机械连杆5、外骨骼膝关节6、外骨骼小腿部分机械连杆7和外骨骼踝关节8；其中，外骨骼穿戴者1依据穿戴者身体参数调节外骨骼尺寸；外骨骼髋关节3根据人体身体关节自由度设计，通过电机等其他驱动装置为穿戴者提供髋关节动力辅助，已完成迈步动作；外骨骼拐杖4主要用于帮助穿戴者保持平衡，同时为外骨骼提供控制和传感信号等；外骨骼大腿部分机械连杆5主要用于为整个外骨骼提供支撑，穿戴使用过程中，根据穿戴者身体参数进行调整，以达到最好的适配效果，提升用户使用体验；外骨骼膝关节6与髋关节相似，通过电机等驱动装置为提供动力辅助；外骨骼小腿部分机械连杆7要用于提供支撑，在穿戴过程中根据穿戴者身体参数进行调整，以达到最好的适配效果；外骨骼踝关节8根据人体关节自由度来进行设计，可用电机等驱动装置主动提供动力，也通过弹簧等设计为被动适配穿戴者动作。
本实施例基于如图1所示的外骨骼双足机器人，提出了一种基于IMU的下肢外骨骼支撑域测量方法，流程如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：在外骨骼双足机器人的两个拐杖底端和两个鞋子脚后跟位置处分别安装IMU9，安装时将各IMU9的一个轴方向沿外骨骼足式机器人的连杆方向放置；基于由外骨骼双足机器人的胸口重心和各IMU9安装位置构成的稳定锥，建立三维空间位置关系；其中，IMU9包括加速度计、陀螺仪以及磁力计；
步骤2：初始化各IMU9的坐标原点，使其均位于预设坐标原点；
步骤3：运行外骨骼双足机器人完成所需动作，同时各IMU9实时测量数据；
步骤4：判断是否进行在线计算，若是，转至步骤5；否则，转至步骤6；
步骤5：实时采集各IMU9测量的数据，包括加速度计测量的加速度、陀螺仪测量的角速度以及磁力计测量的相对于地球磁场的角度数据，通过在线姿态解算得到由方向余弦矩阵表示的各IMU9的当前姿态信息；采用方向余弦矩阵对加速度进行坐标变换，使IMU9的坐标系数据变换为世界坐标系或支撑域坐标系，所述支撑域坐标系的原点位于预设坐标原点；转至步骤7；
步骤6：记录各IMU9测量的数据，作为IMU9数据包，包括加速度计测量的加速度、陀螺仪测量的角速度以及磁力计测量的相对于地球磁场的角度数据，通过离线姿态解算得到由方向余弦矩阵表示的各IMU9的姿态信息；采用方向余弦矩阵对加速度进行坐标变换，使IMU9的坐标系数据变换为世界坐标系或支撑域坐标系，所述支撑域坐标系的原点位于预设坐标原点；转至步骤7；
步骤7：基于加速度、加速度方差以及角速度的阈值，采用零速检测算法判断各IMU9在不同时刻是否处于静止状态，具体计算公式如下：
Tk＝Tbegin-Tstop
C4＝C1∩C2∩C3 
其中，C表示零速检测算法的结果，当C＝1时代表IMU9当前处于静止状态，当C＝0时代表IMU9当前处于非静止状态；Tk表示静止的时间阈值，一般情况下静止状态时间为0.1s至0.3s，因此小于0.1s的应当剔除；C4表示为C1、C2和C3逻辑与的结果；C1表示加速度模值是否在加速度阈值范围内；|ak|为加速度模值；thmin和thmax分别为加速度模值的最小值和最大值；C2表示加速度方差是否在加速度方差阈值范围内；
为加速度方差；thσ为加速度方差的阈值；C3表示角速度模值是否在角速度阈值范围内；|ωk|为角速度模值；thω为角速度模值的阈值；Tbegin和Tstop分别为静止状态的开始时间和结束时间，当C4＝1时记当前时刻为Tbegin，当C4＝0时记当前时刻为Tstop；
若未处于静止状态，则对加速度进行积分计算，获得对应IMU9的速度与位置信息，用于下一次计算；否则，对IMU9进行零速修正，以减少IMU9噪声导致的漂移现象，再对加速度进行积分计算，获得对应IMU9的位置信息，并记录；其中，零速修正的具体过程为：
根据零速检测算法所判断的静止状态获得零速区间，以速度误差作为偏移量，以此得到更加准确的位置信息，具体计算公式如下：
其中vbias(t)表示t时刻的速度偏移量；t0为零速区间的开始时刻；t1为零速区间的结束时刻；
表示t1时刻的速度；x表示位移量，即积分计算后IMU的位置信息；v(t)表示t时刻的速度矢量。
步骤8：将步骤7记录的各IMU的位置信息连接形成凸多边形，完成外骨骼双足机器人支撑域的多边形定义，从而计算得到支撑域。
本实施例首先对固定在脚后跟和拐杖末端的IMU9完成初始位置标定，让标定位置为支撑域坐标系的原点；随后，在外骨骼双足机器人正常移动过程中，通过所述步骤4～7计算得到各IMU9的位置，同时通过零速算法判断各IMU9与地面接触情况，若处于静止状态，则与地面接触；最后，将各与地面接触点的位置连接形成凸多边形，完成外骨骼双足机器人的支撑域多边形定义，从而计算得到支撑域。并且基于本实施例得到的支撑域，可以通过外骨骼双足机器人的胸口重心投影点与支撑域的相对位置来监测外骨骼双足机器人的安全性。
Claims (7)
1.一种基于IMU的下肢外骨骼支撑域测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在外骨骼足式机器人的各着地点分别安装IMU，并结合外骨骼足式机器人的模型结构，建立三维空间位置关系；
步骤2：初始化各IMU的坐标原点，使其均位于预设坐标原点；
步骤3：运行外骨骼足式机器人完成所需动作，同时各IMU实时测量数据；
步骤4：采集各IMU测量的数据，包括加速度、角速度以及相对于地球磁场的角度数据，通过姿态解算得到由方向余弦矩阵表示的各IMU不同时刻的姿态信息；采用方向余弦矩阵对加速度进行坐标变换，使IMU的坐标系数据变换为世界坐标系或支撑域坐标系，所述支撑域坐标系的原点位于预设坐标原点；
步骤5：基于加速度、加速度方差以及角速度的阈值，采用零速检测算法判断各IMU在不同时刻是否处于静止状态，若未处于静止状态，则对加速度进行积分计算，获得对应IMU的速度与位置信息，用于下一次计算；否则，对IMU进行零速修正后，再对加速度进行积分计算，获得对应IMU的位置信息，并记录；
步骤6：基于记录的各IMU的位置信息，计算外骨骼足式机器人的支撑域信息。
2.根据权利要求1所述基于IMU的下肢外骨骼支撑域测量方法，其特征在于，步骤4通过在线和离线两种方式计算各IMU不同时刻的姿态信息。
3.根据权利要求1所述基于IMU的下肢外骨骼支撑域测量方法，其特征在于，步骤1基于由外骨骼足式机器人的胸口重心和各IMU安装位置构成的稳定锥，建立三维空间位置关系。
4.根据权利要求1所述基于IMU的下肢外骨骼支撑域测量方法，其特征在于，步骤1中安装IMU时，将各IMU的一个轴方向沿外骨骼足式机器人的连杆方向放置。
5.根据权利要求1所述基于IMU的下肢外骨骼支撑域测量方法，其特征在于，步骤5中所述零速检测算法采用的具体计算公式如下：
Tk＝Tbegin-Tstop
C4＝C1∩C2∩C3
其中，C表示零速检测算法的结果，当C＝1时代表IMU当前处于静止状态，当C＝0时代表IMU当前处于非静止状态；Tk表示静止的时间阈值；C4表示为C1、C2和C3逻辑与的结果；C1表示加速度模值是否在加速度阈值范围内；|ak|为加速度模值；thmin和thmax分别为加速度模值的最小值和最大值；C2表示加速度方差是否在加速度方差阈值范围内；
为加速度方差；thσ为加速度方差的阈值；C3表示角速度模值是否在角速度阈值范围内；|ωk|为角速度模值；thω为角速度模值的阈值；Tbegin和Tstop分别为静止状态的开始时间和结束时间，当C4＝1时记当前时刻为Tbegin，当C4＝0时记当前时刻为Tstop。
6.根据权利要求1所述基于IMU的下肢外骨骼支撑域测量方法，其特征在于，步骤5中处于静止状态时获得对应IMU的位置信息的具体过程为：
根据零速检测算法所判断的静止状态获得零速区间，以速度误差作为偏移量，以此得到更加准确的位置信息，具体计算公式如下：
其中，vbias(t)表示t时刻的速度偏移量；t0为零速区间的开始时刻；t1为零速区间的结束时刻；
表示t1时刻的速度；x表示位移量；v(t)表示t时刻的速度矢量。
7.根据权利要求1所述基于IMU的下肢外骨骼支撑域测量方法，其特征在于，步骤6中将步骤5记录的各IMU的位置信息连接形成凸多边形，完成外骨骼足式机器人支撑域的多边形定义，从而计算得到支撑域。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220318 |