[發明專利]一種可穿戴式單源仿生動力膝關節系統及其控制方法

有效

• 申請號: 201711476039.0
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN108175639B
• 公開（公告）日: 2019-08-30
• 發明（設計）人: 梁文淵
• 申請（專利權）人: 國家康復輔具研究中心
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02;A61H3/00
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種可穿戴式單源仿生動力膝關節系統的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步驟：

1)在大腿連接繃帶與大腿傳動連桿之間設置大腿力傳感器和大腿角度傳感器，并連接至智能控制單元，以及在小腿連接繃帶與小腿傳動連桿之間設置小腿力傳感器和小腿角度傳感器，并連接至智能控制單元，智能控制單元連接至電機，電機連接至大腿傳動連桿和小腿傳動連桿，并分別通過大腿連接繃帶和小腿連接繃帶將仿生動力膝關節綁縛在使用者的大腿和小腿上，并保證仿生動力膝關節的回轉運動與使用者的膝關節的回轉運動相對吻合；

2)可穿戴式單源仿生動力膝關節系統通電后，通過自動校正零點的方式，使得仿生動力膝關節和力傳感器歸零；

3)大腿力傳感器和小腿力傳感器采集使用者與仿生動力膝關節之間的交互力信息，大腿角度傳感器和小腿角度傳感器采集仿生動力膝關節的位置信息，并傳輸至智能控制單元；

4)智能控制單元通過交互力信息和位置信息，提取力矢量特種參數，通過模式識別推斷使用者的運動意圖；

5)智能控制單元通過交互力信息和位置信息，并通過雅可比變換，生成仿生動力膝關節的期望跟蹤速度；

6)智能控制單元根據生成的仿生動力膝關節的期望跟蹤速度，通過比例積分微分PID控制得到電機的輸入電流命令，傳送給電機，電機通過大腿傳動連桿和小腿傳動連桿控制仿生動力膝關節運動，從而對仿生動力膝關節反饋控制；

7)重復步驟3)～6)，實現仿生動力膝關節根據使用者的運動意圖快速跟隨使用者的膝關節運動，對使用者實時提供輔助力支持。

2.如權利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步驟2)中，在運動初始狀態下，通過自動校正零點的方式，使得仿生動力膝關節和力傳感器歸零。

3.如權利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步驟4)中，力矢量特種參數包括力的大小、速度和加速度。

4.如權利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步驟5)中，智能控制單元通過交互力信息和位置信息，生成期望跟蹤速度，包括以下步驟：

a)仿生動力膝關節實時跟隨人體運動，其期望跟蹤點為仿生動力膝關節的實時實際位置，則交互力與期望跟蹤速度滿足：

其中，V(s)為仿生動力膝關節末端的期望跟蹤速度，F(s)為使用者與仿生動力膝關節之間的交互力，M_a和B_a分別為可調節慣性參數和阻尼參數，s為拉普拉斯變換；

b)上述計算公式在時域下可以寫成：

其中，V(t)為時域下t時刻的仿生動力膝關節末端的期望跟蹤速度，F(t)為時域下t時刻的使用者與仿生動力膝關節之間的交互力；

c)把上述時域計算公式寫成離散形式：

其中，T為采樣周期時間常數，V_n(t)為當前時刻的仿生動力膝關節末端的期望跟蹤速度，V_n-1(t)為上一時刻的仿生動力膝關節末端的期望跟蹤速度；

d)根據上述離散形式公式，得到當前時刻的仿生動力膝關節末端的期望跟蹤速度的計算推導公式：

e)根據仿生動力膝關節末端的期望跟蹤速度，通過雅可比運動關系轉換成仿生動力膝關節的期望跟蹤速度其計算公式如下：

其中，J為仿生動力膝關節的運動學雅可比矩陣。

5.如權利要求1所述的控制方法，其特征在于，在步驟6)中，智能控制單元根據生成的仿生動力膝關節的期望跟蹤速度，通過PID控制得到電機的實際控制輸出力矩命令τ，再根據電機的實際控制輸出力矩命令τ，得到電機的輸入電流命令I_c，計算公式如下：

其中，K_t為電機力矩常數。

6.一種可穿戴式單源仿生動力膝關節系統，其特征在于，所述系統包括：大腿力傳感器、小腿力傳感器、大腿角度傳感器、小腿角度傳感器、智能控制單元、電機、大腿傳動連桿和小腿傳動連桿；其中，大腿傳動連桿和小腿傳動連桿的一端分別安裝在仿生動力膝關節上，大腿傳動連桿和小腿傳動連桿的另一端分別設置大腿連接繃帶和小腿連接繃帶，分別通過大腿連接繃帶和小腿連接繃帶將仿生動力膝關節綁縛在使用者的大腿和小腿上；在大腿連接繃帶與大腿傳動連桿之間設置大腿力傳感器和大腿角度傳感器，以及在小腿連接繃帶與小腿傳動連桿之間設置小腿力傳感器和小腿角度傳感器；大腿力傳感器、小腿力傳感器、大腿角度傳感器和小腿角度傳感器分別連接至智能控制單元；智能控制單元連接至電機；電機連接至大腿傳動連桿和小腿傳動連桿；大腿力傳感器和小腿力傳感器采集使用者與仿生動力膝關節之間的交互力，大腿角度傳感器和小腿角度傳感器采集仿生動力膝關節的位置信息，分別傳輸至智能控制單元；智能控制單元根據交互力信息和位置信息，并通過雅可比變換，生成期望跟蹤速度，并根據期望跟蹤速度，通過比例積分微分PID控制，得到電機的輸入電流命令，傳送給電機，電機通過大腿傳動連桿和小腿傳動連桿控制仿生動力膝關節仿生動力膝關節運動，從而對仿生動力膝關節反饋控制，實現仿生動力膝關節能夠根據使用者的運動意圖快速跟隨使用者的膝關節運動，對使用者實時提供輔助力支持。