[發明專利]基于關節應力的下肢外骨骼人機交互運動控制的方法

有效

• 申請號: 201811599344.3
• 申請日: 2018-12-26
• 公開（公告）號: CN111358667B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 王曉峰;曲道奎;邸霈;李剛;宋吉來;劉世昌
• 申請（專利權）人: 沈陽新松機器人自動化股份有限公司
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00;A61H1/02
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 鄭偉健

本發明實施例公開一種基于關節應力的下肢外骨骼人機交互控制方法。該控制方法包括步驟：建立外骨骼機器人的腿部運動學模型，所述腿部包括第一腿和第二腿；在所述腿部運動學模型的基礎上，設計支撐階段的外骨骼機器人的支撐運動控制器模型；在所述腿部運動學模型的基礎上，設計擺動階段的外骨骼機器人的擺動運動控制器模型；根據所述第一腿和第二腿所處階段的不同，分別采用支撐運動控制器模型或者擺動運動控制器模型相應地控制第一腿的運動或第二腿的運動。該控制方法的實現過程簡單、控制過程中所需調整的參數個數較少且可以實現隨動的控制效果。

技術領域

本發明涉及康復工程的技術領域，具體涉及一種基于關節應力的下肢外骨骼人機交互運動控制的方法。

背景技術

外骨骼助行機器人是集人體信息檢測、機器人自動控制、神經工程等多學科知識于一身的高科技成果。機器人設計與研發旨在采用機器運動輔助技術實現預定的人體運動功能，由“意圖產生”、“意圖識別”、“反饋刺激”三個關鍵節點實現其完整的功能。外骨骼助行機器人的控制過程可以描述為：首先由穿戴者產生運動意圖；然后由機器人上的傳感器捕捉到人的運動意圖，并利用多種識別算法將人的運動意圖進行分類量化；最后由機器人的關節控制器根據人體運動意圖的識別結果對機器人各關節電機進行調節，實現輔助人體運動的功能。人與機器人外骨骼是兩種不同的動態系統，在人穿戴外骨骼行走過程中，人與外骨骼之間需要相互協作才能達到共同的行走目的。所以，人機協作需要分成兩部分：其中之一便是外骨骼機器人的控制方法，另一個是將人的運動意圖傳遞給外骨骼。

目前，針對外骨骼助行機器人關節控制的方法包括相位序列控制方法、基于預定步態的控制方法和靈敏度放大控制方法。相位序列控制方法首先將人體下肢的活動(如行走、站立、爬樓梯等)分成不同的相位階段，并為相鄰相位的切換設置相位過渡時間，然后針對不同相位設置好機器人應該施加的輔助力，在機器人運行過程中，控制器根據傳感器反饋信息確定機器人當前活動的相位階段，然后根據提前設置好的輔助力對人體施加影響，實現對人體下肢活動提供輔助的功能。相位序列控制控制方法針對人體下肢不同活動的不同階段設置好了輔助力的大小，能夠實現多種輔助功能；但是，各相位輔助力參數設置復雜、難以實施，并且所設置的輔助力又比較固定，缺少靈活性，需要針對不同的用戶進行個性化定制?；陬A定步態的控制方法在獲取到人的運動意圖之后，根據當前關節活動狀態與預定義的參考關節角度和參考角速度的偏差來調整輔助力矩，如果當前機器人活動狀態與預定義的參考狀態一致，則輔助力為零?；陬A定步態的控制方法避免了相位序列控制方法為每個相位設定固定輔助力矩的局限性，能夠根據機器人運行狀態動態調整輔助力矩的大??；但是，對參考軌跡設計的要求較高，一條固定的參考軌跡難以適應不同的用戶在不同環境狀態下的輔助操作，而且在運動過程中無法針對用戶的行走意愿對輔助力進行動態調節。靈敏度放大控制方法將人施加的力到外骨骼輸出的傳遞函數定義為靈敏度函數，目標就是通過控制器的設計使得該靈敏度函數最大化，從而實現用很小的力就能改變外骨骼的動作。靈敏度放大控制方法不需要在人機之間安裝傳感器，仍然可以控制外骨骼跟隨穿戴者運動，但是，嚴格依賴于外骨骼的逆動力學模型的準確性。

因此，針對現有的針對外骨骼助行機器人關節控制方法所存在的問題，需要提供一種在行走過程中能夠對外骨骼機器人進行調節且實現用戶與機器人之間的協調運動的人機交互控制方法。

發明內容

針對現有的針對外骨骼助行機器人關節控制方法所存在的問題，本發明實施例提供一種基于關節應力的下肢外骨骼人機交互控制方法。該基于關節應力的下肢外骨骼人機交互控制方法實現過程簡單、控制過程中所需調整的參數個數較少且可以實現隨動的控制效果。

該基于關節應力的下肢外骨骼人機交互控制方法的具體方案如下：一種基于關節應力的下肢外骨骼人機交互控制方法包括步驟：建立外骨骼機器人的腿部運動學模型，所述腿部包括第一腿和第二腿；在所述腿部運動學模型的基礎上，設計支撐階段的外骨骼機器人的支撐運動控制器模型；在所述腿部運動學模型的基礎上，設計擺動階段的外骨骼機器人的擺動運動控制器模型；根據所述第一腿和第二腿所處階段的不同，分別采用支撐運動控制器模型或者擺動運動控制器模型相應地控制第一腿的運動或第二腿的運動。