[發(fā)明專利]一種外骨骼機器人及其檢測人體運動意圖的檢測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910227324.1
• 申請日: 2019-03-25
• 公開（公告）號: CN109940584A
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發(fā)明（設計）人: 王天
• 申請（專利權）人: 杭州程天科技發(fā)展有限公司
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/16;B25J13/08;B25J19/02;A61B5/00;A61B5/0492;A61B5/103;A61B5/11;A61B5/22
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 張濤;李亮印

本發(fā)明公開了一種外骨骼機器人，包括外骨骼機器人本體和感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及驅動系統(tǒng)；外骨骼機器人本體包括上部支撐結構、髖部桿件、大腿桿件、小腿桿件、足部構件、髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)；感知系統(tǒng)包括檢測足底壓力的薄膜應變片傳感器、檢測關節(jié)角度的編碼器、檢測關節(jié)處力/力矩的力傳感器、檢測運動速度/加速度的姿態(tài)傳感器、檢測肌肉張力的電容式傳感器，還設有連接綁帶，連接綁帶上固定與人體皮膚非接觸的電容式傳感器，電容式傳感器包括至少一個電極貼片；控制系統(tǒng)包括基于CNN機器學習算法形成的全聯(lián)通網(wǎng)絡運算模塊，控制系統(tǒng)連接感知系統(tǒng)并能夠接受感知系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)連接能夠驅動外骨骼機器人本體運動的驅動系統(tǒng)。

技術領域

本發(fā)明涉及外骨骼機器人技術領域，具體涉及一種外骨骼機器人及其檢測人體運動意圖的檢測方法。

背景技術

經(jīng)過近數(shù)十年的發(fā)展，對外骨骼機器人技術領域的研究已取得了長足進步，并獲得了一些重要成果，其為外骨骼的產業(yè)應用提供了參考。目前的很多外骨骼系統(tǒng)，比如穿戴式外骨骼機器人，雖然實現(xiàn)了簡單的功能性的動作，但遠遠未能達到人體的使用需求。

一方面，由于人體運動具有很強的自主性，自由度高，信息復雜，動作多樣，而為了實現(xiàn)良好的辨識與預測，則需要具有傳感器的感知系統(tǒng)能較大程度反映出系統(tǒng)狀態(tài)，辨識延時小，預測精度高，計算復雜度低。但目前在人體運動預測方面，對人體與外骨骼耦合信息的研究較為匱乏，特別是對人體與外骨骼之間的信息獲取與信息處理，并基于耦合信息估計與預測人體運動等問題較為突出，例如，穿戴式外骨骼機器人目前的生物信號檢測停留在對神經(jīng)元信號、肌電信號、關節(jié)運動信息、壓力等特定的、單一模態(tài)的生物信號檢測，尤其是神經(jīng)元的信號和肌電信號個體差異極大，此外傳感器本身也非常昂貴。另外，基于腦信號獲取運動意圖，雖然其全局性強同時信號無滯后，但就目前的科技水平來說，腦信號特征提取及解碼技術仍不成熟，如此一來，其獲取意圖的準確性較低；基于肌電信號獲取運動意圖，雖然其信號無滯后，但由于測量肌電信息的傳感器是根據(jù)肌肉活動時皮膚表面?zhèn)魉偷奈⑷蹼娏餍盘柣蚣∪獾能浻渤潭葋硗茢嗳说男袨橐庾R，傳感器表面電極放置位置、人體汗液以及體溫變化等不確定因素將影響所獲取信息的穩(wěn)定性和準確性。

另一方面，外骨骼要實現(xiàn)輔助人體的作用，其不能給人體帶來運動阻礙，應該要確保人體自主運動的完成，以起到真正助力的作用。由于外骨骼是典型的人機高度耦合的系統(tǒng)，具有“人在內環(huán)”的特性，預定義軌跡、預定義步態(tài)模式等控制方法不適用于外骨骼，這類方法會犧牲人的自主性。目前對人機協(xié)調研究主要分為不基于模型與基于模型兩種方法，不基于模型中的控制依賴于事先預定的諸多規(guī)則，不便于實現(xiàn)，且計算復雜度高，并對個體適應性不強。基于模型的控制大多依賴于外骨骼的動力學模型，并未考慮人機交互模型，動力學模型中的不確定性與客觀存在的干擾，鮮有考慮，將制約該類控制策略的綜合性能。考慮人機耦合的特點，需要根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)實時調整動力學模型與人機交互模型，并估計系統(tǒng)干擾，消除干擾的影響，從而進一步改善人機協(xié)調性，實現(xiàn)柔順的運動控制，輔助人體更為自然、輕松地進行相關動作。