[發明專利]一種用于下肢外骨骼人機系統閉環控制傳感系統

在審

• 申請號: 201611124145.8
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN108175642A
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: 常琳
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工大天才智能科技有限公司
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00;A61B5/103;A61B5/11;A61B5/00;B25J19/02
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本發明公開了一種用于下肢外骨骼人機系統閉環控制傳感系統，包括下肢外骨骼人機體，及安裝于下肢外骨骼人機體關節處的動作機構；其特征在于：所述下肢外骨骼人機體關節處還安裝有傾角傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器、力矩傳感器和編碼器；所述傾角傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器、力矩傳感器和編碼器通信連接到信號采集平臺；所述信號采集平臺通信連接外骨骼控制器；所述外骨骼控制器通信連接關節驅動力矩；所述關節驅動力矩通信連接驅動系統；本發明的用于下肢外骨骼人機系統閉環控制傳感系統，利用傾角傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器、力矩傳感器以及編碼器等多傳感器系統來獲取人體及外骨骼系統的運動信息，形成閉環。

技術領域

本發明涉及一種外骨骼機器人組件，具體涉及一種用于下肢外骨骼人機系統閉環控制傳感系統，屬于外骨骼機器人技術領域。

背景技術

下肢助力外骨骼機器人是一種并聯在人體下肢外部，對穿戴者進行行走助力的機器人，隨著老齡化的加劇，下肢助力外骨骼機器人是近年來研究的熱點；目前，下肢助力外骨骼機器人多采用剛性連桿組成的剛性框架機構系統，借助大腿、小腿處的綁縛裝置與穿戴者下肢耦合在一起；當穿戴者進行行走運動時，剛性桿并聯在人體下肢外部運動，增加了人體下肢的運動阻抗，改變了穿戴者的運動自然頻率，造成運動干擾；此外，人體各關節的運動是由肌肉骨骼系統共同作用下沿著復雜關節骨曲面形成的空間三維運動，而剛性下肢外骨骼的各關節運動軸很難與穿戴者的運動軸相匹配，導致行走運動中外骨骼機械腿與人腿存在很大的未對準誤差，這種誤差影響了穿戴者的穿戴舒適性，嚴重時還會造成穿戴者下肢疼痛及運動損傷；盡管通過構型優化可實現下肢外骨骼機構的輕量化設計，但下肢外骨骼的剛性連桿機構對穿戴者自然行走步態的運動干擾仍不能忽視；為了實現下肢助力外骨骼在行走運動中能對穿戴者有效助力，并且對穿戴者自然運動影響較小，需要下肢助力外骨骼系統具有重量輕、人機貼合性好的特點，同時下肢助力外骨骼的驅動機制應像人體肌肉一樣具有較低的機械輸出阻抗及能適應較大控制帶寬的特點；現有技術還未解決這些問題；中國專利申請號：201510850693.8，公開了一種柔性外骨骼機器人,包括：穿戴于人體下肢上的下肢柔性綁縛裝置，驅動下肢柔性綁縛裝置運動的仿生驅動裝置，連接于驅動裝置與下肢柔性綁縛裝置之間的傳動裝置，其采用柔性材料做成的輕型、易穿戴的下肢柔性綁縛裝置，使用仿生驅動方式驅動下肢柔性綁縛裝置輔助人體行走；而下肢負重外骨骼工作機理為感知系統實時捕獲人體步行狀態，控制器產生控制信號驅動機械骨骼跟隨人體運動；從感知系統捕獲人體步態到輸出控制信號，以及驅動機構驅動外骨骼關節到達目標軌跡均需要一定的時間，而此過程人體已經運動到另一狀態，現有技術中，下肢助力外骨骼機器人數據采集系統比較落后，不能形成閉環，人機協調效果比較差。

發明內容

為解決上述問題，本發明提出了一種用于下肢外骨骼人機系統閉環控制傳感系統，利用傾角傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器、力矩傳感器以及編碼器等多傳感器系統來獲取人體及外骨骼系統的運動信息，并傳遞給控制系統，控制系統計算出外骨骼系統各個關節運動量和動作機構所需力矩，實時采集外骨骼系統當前運動姿態，并反饋給控制器，形成閉環。

本發明的用于下肢外骨骼人機系統閉環控制傳感系統，包括下肢外骨骼人機體，及安裝于下肢外骨骼人機體關節處的動作機構；其特征在于：所述下肢外骨骼人機體關節處還安裝有傾角傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器、力矩傳感器和編碼器；所述傾角傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器、力矩傳感器和編碼器通信連接到信號采集平臺；所述信號采集平臺通信連接外骨骼控制器；所述外骨骼控制器通信連接關節驅動力矩；所述關節驅動力矩通信連接驅動系統；所述驅動系統與動作機構通信連接。

作為優選的實施方案，所述傾角傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器、力矩傳感器和編碼器通過AD轉化模塊連接到信號采集平臺。

作為優選的實施方案，所述壓力傳感器安裝于左側和右側腳的鞋底。