[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

本發明涉及基于腿部姿態識別的下肢外骨骼控制系統及其實現方法，包括信息采集模塊、嵌入式控制模塊和電機執行模塊；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。該系統將轉矩電機布置在兩個膝關節處，通過布置姿態識別單元，能采集到整個腿部的信息，當穿戴者出現傾倒狀態時依然能準確采集識別控制，識別度高，系統穩定性好。

技術領域

本發明涉及到外骨骼機器人領域，具體涉及到一種基于腿部姿態識別的下肢外骨骼控制系統及其實現方法。

背景技術

對于老年人和下肢殘障人士來說，由于身體機能的退化和不便，導致行走困難。因而，下肢外骨骼機器人應運而生。但是現存的下肢外骨骼控制方法簡單，靈敏度差，反應緩慢且不穩定。因而迫切需要一種控制性能更加穩定，靈敏度更高，可以輔助老年人行走助力的下肢外骨骼控制系統以滿足老年人的日常所需。由于下肢外骨骼機器人的傳感器和電機在運行當中受到外界干擾導致誤差累積，最后導致系統運行產生誤差造成不可控的意外狀況發生。如公布號為CN105150211A的中國專利公開一種負重型下肢外骨骼機器人的控制系統，該系統中信號采集裝置由薄膜壓力傳感器、磁角度傳感器、多通道放大器、多通道低通濾波器構成，完成穿戴者足底壓力信號和下肢外骨骼機器人的踝關節角度信號的采集，所采用的控制算法為末端跟隨控制算法，計算出下一時刻機器人髖關節和膝關節的角度制，從而計算出相應伺服電缸組的運動控制量。其不足之處在于，該系統只對膝關節角度測量未對整個腿部姿態進行識別，系統姿態識別度較低，且在系統運動過程中易受到外部干擾，抗干擾性較差，在運行一段時間后會存在累積誤差，采用開環控制，自適應能力較差。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種基于腿部姿態識別的下肢外骨骼控制系統及其實現方法。該控制系統將轉矩電機布置在兩個膝關節處，通過布置姿態識別單元，能采集到整個腿部的信息，當穿戴者出現傾倒狀態時依然能準確采集識別控制，相對于現有專利識別度高。該實現方法采用卡爾曼數字濾波，能提高系統運行過程中的抗干擾能力，采用串級PID閉環控制算法，消除了系統運行一段時間后可能產生的累積誤差，進一步提高了系統控制的穩定性。

本發明解決所述技術問題采用的技術方案是：

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。

一種上述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；