[發(fā)明專利]應(yīng)用在微重力環(huán)境下的步行輔助裝置及其控制方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010163287.1
• 申請日: 2010-05-05
• 公開（公告）號: CN101844623A
• 公開（公告）日: 2010-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅翔;李偉
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: B64G1/60
• 分類號: B64G1/60;A43B3/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 張惠忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及輔助人類行走的裝置，尤其涉及在微重力環(huán)境下的輔助行走裝置的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

零力矩點(ZERO-MOMENT?POINT簡稱ZMP)和壓力中心點(Center?ofPressure簡稱COP)是人體步行生物力學(xué)和步行機器人的兩個重要概念。ZMP點是重力，慣性力及地面反力三者的合力矢的延線與地面的交點。COP是支撐腳與地面接觸面內(nèi)的一點，該點為地面反力的作用點。當(dāng)ZMP點和COP點重合時，人或機器人可以穩(wěn)定的行走。研究人員通過對人類正常步行的測量，發(fā)現(xiàn)了步態(tài)和足底COP軌跡之間具有一定的聯(lián)系：當(dāng)步行處于單支撐階段時，COP的移動呈現(xiàn)一個明顯的從腳跟部移動到腳前部的軌跡，同時伴隨著支撐腿踝部的向前彎曲，髖部的向后彎曲，擺動腿髖部的向前擺動。同樣在雙支撐階段，也存在著雙足的COP移動規(guī)律和與之對應(yīng)的腿部各關(guān)節(jié)的運動規(guī)律。在此規(guī)律上，基于ZMP和COP的步行控制方法也在機器人上得到了應(yīng)用。即利用預(yù)先設(shè)計好的ZMP/COP軌跡，規(guī)劃出機器人的各關(guān)節(jié)的運動，實現(xiàn)機器人步行。

人體一個步行周期內(nèi)腳底支撐點的大致變化情況為：首先在步行起始階段，當(dāng)人體處于站立狀態(tài)時，兩只腳的前后支點都是支撐點。擺動腿開始擺動時，擺動腿腳底的兩支點脫離地面，經(jīng)過一段時間的擺動，擺動腿腳底的后支點觸地，完成起步過程，進(jìn)入穩(wěn)定步行階段。以兩只腳都開始著地作為一個穩(wěn)定步行周期的開始。穩(wěn)定步行階段包括后方腿蹬地和前方腿支撐兩個部分。剛開始，后方腿的后支點開始離開地面，前支點與地面保持接觸。前方腿的兩個支點均與地面接觸，但后支點是主要工作點。然后，存在一個短暫的蹬地過程，在此過程中，后方腿的前支點與地面保持接觸，通過腳踝的力矩產(chǎn)生蹬地的作用。前方腿的后支點在蹬地過程中一直充當(dāng)支撐點的作用。蹬地過程結(jié)束后，后方腿脫離地面，進(jìn)入擺動階段。前方腿的后支點繼續(xù)作為支點，實現(xiàn)人體的自然擺動。在一定的形位，通常是人體的重心處于支撐腳的中點時，通過旋轉(zhuǎn)支撐腳使后支點脫離地面，前支點成為人體擺動的支點，一直到擺動腿著地，進(jìn)入新的步行周期，重復(fù)前面的過程。

在微重力環(huán)境中，人處于失重狀態(tài)，漂浮在空中，不能像在地球上一樣正常的行走，甚至有些人回到地球上走路會感覺不適應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是提供一種在微重力環(huán)境下利用步態(tài)和COP的關(guān)系，通過人體的關(guān)節(jié)動作，控制腳底和地面的接觸點，使人體可以借助于接觸點產(chǎn)生正壓力和摩擦力，從而實現(xiàn)類似于重力環(huán)境中步行的應(yīng)用在微重力環(huán)境下的步行輔助裝置及其工作方法。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

應(yīng)用在微重力環(huán)境下的步行輔助裝置，包括助行鞋，每只助行鞋上分別設(shè)置兩組吸附控制單元、兩組與吸附控制單元相對應(yīng)的接觸傳感器，兩組吸附控制單元分別形成助行鞋的前支點和后支點；兩組吸附控制單元與兩組接觸傳感器分別與步行控制器連接；還包括與吸附單元相匹配的助行通道。

基于應(yīng)用在微重力環(huán)境下的步行輔助裝置的控制方法，包括如下步驟：

第一步：人體處于直立姿勢時，雙腳都與地面接觸，此時每只助行鞋上的接觸傳感器都有壓力存在；

第二步：人體開始行走時，其中一只腳通過強制力擺脫這只腳上的吸附單元與助行通道之間的吸附力，形成擺動腿，實現(xiàn)穩(wěn)定起步；

第三步：穩(wěn)定行走時，第二步的擺動腿的后支點觸地時，位于后支點的接觸傳感器發(fā)出信號給步行控制器，此時步行控制器控制擺動腿后支點的吸附單元吸附助行通道；且控制支撐腿上的前支點和后支點的吸附單元脫離助行通道；實現(xiàn)兩腿之間的切換；

第四步：第三步中的支撐腿變?yōu)榱藬[動腿，第三步中的擺動腿變?yōu)榱酥瓮龋瓿闪艘粋€周期；重復(fù)上述周期，使得人在助行通道上行走起來；

第五步：當(dāng)人體需要停下來時，按動步行控制器上的復(fù)位鍵，此時兩只腳上的四個吸附單元都吸附在助行通道上，需要行走時，重復(fù)上述步驟。