[發明專利]基于腿部姿態識別的下肢外骨骼控制系統及其實現方法

在審

• 申請號: 201810039113.0
• 申請日: 2018-01-16
• 公開（公告）號: CN108175644A
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: 陳貴亮;李政琨;郭士杰;邰寶明;陳夢倩
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 付長杰

1.一種基于腿部姿態識別的下肢外骨骼控制系統，包括信息采集模塊、嵌入式控制模塊和電機執行模塊；其特征在于，所述信息采集模塊包括腿部姿態識別單元、薄膜壓力傳感器、電機轉矩傳感器；所述電機執行模塊包括轉矩電機和電機控制單元；所述腿部姿態識別單元設置于下肢外骨骼機器人大腿腿干，采集腿部姿態信息，所述薄膜壓力傳感器設置于下肢外骨骼鞋底部，所述電機轉矩傳感器設置于轉矩電機上，與轉矩電機同軸連接，轉矩電機設置在膝關節處；所述嵌入式控制模塊內具有處理中心、壓力轉換單元、CAN通信單元和IIC通信單元；所述信息采集模塊連接到嵌入式控制模塊，薄膜壓力傳感器通過壓力轉換單元與處理中心連接，腿部姿態識別單元通過IIC通信單元與處理中心連接，電機轉矩傳感器通過CAN通信單元連接電機控制單元，電機控制單元連接轉矩電機；所述腿部姿態識別單元包括三軸加速度傳感器、三軸角速度傳感器，用于檢測測試空間XYZ三軸信息變化；

薄膜壓力傳感器將采集到的電壓信號轉化為數字量，傳輸到處理中心；腿部姿態識別單元將采集到的當前腿部姿態信息通過IIC通信單元傳輸到處理中心，處理中心對當前腿部姿態和腳底壓力分布信息進行處理，采用四元數姿態解算算法計算出下一時刻的腿部位置，再經過串級PID閉環控制算法處理，通過CAN通信驅動轉矩電機達到指定位置。

2.根據權利要求1所述的基于腿部姿態識別的下肢外骨骼控制系統，其特征在于所述三軸加速度傳感器為ADI公司的ADXL345，三軸角速度傳感器為意法(ST)半導體公司的三軸角速度傳感器L3G4200D，都通過IIC通信單元與處理中心連接。

3.根據權利要求1所述的基于腿部姿態識別的下肢外骨骼控制系統，其特征在于所述處理中心為ARM芯片，所述壓力轉換單元為16位高精度模數轉化模塊，與ARM芯片的輸入/輸出端口連接。

4.根據權利要求1所述的基于腿部姿態識別的下肢外骨骼控制系統，其特征在于所述薄膜壓力傳感器的數量為10個，在每個下肢外骨骼鞋底布置5個。

5.一種權利要求1-4任一所述的基于腿部姿態識別的下肢外骨骼控制系統的實現方法，該實現方法包括以下步驟：

步驟一、獲取當前下肢外骨骼的足底壓力信息，根據薄膜壓力傳感器采集得到的壓力信息，分析步態信息，確定采取的步態方案；

步驟二、獲取當前下肢外骨骼的腿部姿態信息，根據腿部姿態識別單元采集到腿部姿態信息，通過姿態識別算法解算出整個腿部的姿態信息；

步驟三、根據步驟二中得到的腿部姿態信息與步驟一中步態方案進行對比，確定誤差量；

步驟四、根據步驟三中的誤差量設計串級PID閉環控制算法，從而驅動轉矩電機執行處理中心給出的工作以控制腿部達到指定姿態。