[發明專利]老年人外骨骼助行機器人及防摔倒步態的仿生控制方法

有效

• 申請號: 201310184590.3
• 申請日: 2013-05-17
• 公開（公告）號: CN103263339A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發明（設計）人: 陳勇;李榮華;張連東;宋雪萍;劉金偉
• 申請（專利權）人: 大連交通大學
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 安寶貴;李洪福

1.老年人外骨骼助行機器人，包括：

外骨骼軀干部件，用于連接至使用者下半身，輔助使用者完成站立行走動作，包括大腿部件、小腿部件以及腳板；

關節部件，用于連接外骨骼軀干部件，使得各個外骨骼軀干部件之間實現彎曲和伸展，包括連接使用者腰部與大腿部件的髖關節部件，連接大腿部件與小腿部件的膝關節部件，連接小腿部件與腳板的踝關節部件；

輔助單元，包括綁在使用者腰部并固定連接于髖關節部件上的腰帶，綁在使用者大腿上并固定連接于大腿部件上的繃帶以及用于保護使用者膝關節，固定連接于膝關節部件上的軟墊護膝；

以及用于為整個裝置提供能源的電源，其特征在于：所述機器人還包括能夠實時獲取機器人行走過程中的加速度、角速度信號，對信號進行處理并生成相應運動信號進而控制外骨骼軀干部件動作，完成防摔過程的動作控制單元。

2.根據權利要求1所述的老年人外骨骼助行機器人，其特征在于：所述的動作控制單元，包括可實時獲取行走過程的加速度與角速度的傳感器，可對傳感器收集的信號進行信號調理和數模轉換的信號處理器，與髖關節部件相連并生成運動信號控制髖關節部件的運動控制器，進行動作生成與運動反解，并將動作命令傳輸至運動控制器的中央處理器，一端與髖關節部件相連，另一端與大腿部件相連的伺服電機，一端固連在大腿部件上，另一端固連在小腿部件上并帶動小腿部件進行協調運動的氣動人工肌肉。

3.根據權利要求2所述的老年人外骨骼助行機器人，其特征在于：所述的傳感器包括實時獲取行走過程加速度的加速度傳感器與實時獲取行走過程角速度的角速度傳感器，上述傳感器均安裝于外骨骼助行機器人左腿和右腿交叉處。

4.根據權利要求3所述的老年人外骨骼助行機器人，其特征在于：所述的加速度、角速度是以加速度傳感器和角速度傳感器的安裝點為坐標系oxyz原點o，外骨骼助行機器人的正前方為x軸，外骨骼助行機器人的正右方為y軸，垂直于地面的方向為z軸而獲取的數值。

5.根據權利要求3所述的老年人外骨骼助行機器人防摔倒步態的仿生控制方法，其特征在于：包括以下步驟

（1）步驟：老年人穿戴外骨骼助行機器人運動時，通過安裝在外骨骼助行機器人左腿和右腿交叉處的加速度傳感器，實時獲取外骨骼助行機器人行進方向前后即所述x軸、左右即所述y軸、上下即所述z軸的加速度a_x、a_y、a_z；繞z軸的轉動屬于外骨骼助行機器人的自轉，與摔倒姿態的關系很小，為了減少冗余，通過安裝在外骨骼助行機器人左腿和右腿交叉處的角速度傳感器，只獲取外骨骼助行機器人側傾即x軸，俯仰即y軸的角速度ω_x、ω_y；

（2）步驟：對獲取的加速度和角速度與其相對應的預設閾值進行比較，當加速度a_x、a_y、a_z至少有一個大于相應方向上的設定閾值，或者角速度ω_x、ω_y至少有一個大于相應方向上的設定閾值，則表明外骨骼助行機器人即將發生摔倒，外骨骼助行機器人的動作控制單元控制生成動作，防止摔倒，即在原有正常運動步態的基礎上，疊加根據人體的姿勢反射機理而建立的姿勢反射模型，否則返回步驟（1）；

（3）步驟：判斷外骨骼助行機器人的摔倒情況，即判斷機器人是向前摔倒或者向后摔倒，若判斷為向前摔倒，則判斷外骨骼助行機器人向前摔倒的裕量是否小于零，如果小于零，外骨骼助行機器人向前跨步，否則外骨骼助行機器人停留在原地；若判斷外骨骼助行機器人向后摔倒，則判斷外骨骼助行機器人向后摔倒的裕量是否小于零，如果小于零，外骨骼助行機器人向后跨步，否則外骨骼助行機器人停留在原地；

（4）步驟：依據步驟（3）的判斷結果，進一步判斷外骨骼助行機器人單次跨步的裕量是否小于零，如果小于零，外骨骼助行機器人需要再次跨步才能保持平衡穩定，否則外骨骼助行機器人經過一次跨步就可以保持平衡穩定；

（5）步驟：根據外骨骼助行機器人正常運動模式判斷是否需要結束防摔倒步態，如果需要結束，外骨骼助行機器人進行姿態復原，回歸到原有的正常運動步態，否則返回步驟（1）。