[發(fā)明專利]一種下肢關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)感知與控制系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011074786.3
• 申請(qǐng)日: 2020-10-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112192570B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓瑞雪;李彬;高志宇;王喆;諶興良
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七0七研究所九江分部
• 主分類號(hào): B25J9/16
• 分類號(hào): B25J9/16;B25J9/00
• 代理公司: 北京慕達(dá)星云知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 符繼超

本發(fā)明公開(kāi)了一種下肢關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)感知與控制系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括：關(guān)節(jié)角度編碼器、步態(tài)相位感知器、關(guān)節(jié)角位置控制器以及關(guān)節(jié)力矩控制器，關(guān)節(jié)角度編碼器測(cè)量關(guān)節(jié)角位置，輸出信號(hào)傳送到步態(tài)相位感知器、關(guān)節(jié)角度控制器以及關(guān)節(jié)力矩控制器；步態(tài)相位感知器依據(jù)關(guān)節(jié)角度信號(hào)進(jìn)行步態(tài)相位判斷，將步態(tài)相位劃分為支撐相和擺動(dòng)相；當(dāng)步態(tài)相位感知器判斷當(dāng)前處于支撐相時(shí)，采用關(guān)節(jié)角位置控制模式；當(dāng)步態(tài)相位感知器判斷當(dāng)前處于擺動(dòng)相時(shí)，采用關(guān)節(jié)力矩控制模式。本發(fā)明不僅簡(jiǎn)化了傳感器配置，提高感知系統(tǒng)可靠性、快速性而且不影響其他裝具的可穿戴性，而且實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)助力，且能夠提高人機(jī)之間跟隨性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說(shuō)是涉及一種下肢關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)感知與控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

基于多關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的全身剛性外骨骼系統(tǒng)由于其自重大、靈活性差以及電源能耗大等方面的問(wèn)題，嚴(yán)重制約裝備實(shí)用化進(jìn)程。下肢部分關(guān)節(jié)(髖、膝、踝)助力的外骨骼系統(tǒng)，由于輕質(zhì)、靈活性并且有效減少對(duì)人體束縛的優(yōu)點(diǎn)使其在輕裝機(jī)動(dòng)作業(yè)中更具顯著的實(shí)用價(jià)值。美國(guó)洛克希德馬丁公司開(kāi)發(fā)ONYX外骨骼系統(tǒng)，其采用膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)助力方案，系統(tǒng)自重6.4Kg，使用2.7Kg鋰電池模塊供電，據(jù)美國(guó)國(guó)防部稱，ONYX外骨骼可以讓攜帶20公斤重背包的士兵在坡度達(dá)到15度的斜坡上連續(xù)行軍數(shù)小時(shí)，士兵只會(huì)感受到些許疲勞。美國(guó)哈佛大學(xué)研制出Soft Exosuit柔性外骨骼系統(tǒng)，主體由紡織物組成，動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)加繩傳動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)人體下肢髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)柔性驅(qū)動(dòng)助力，具有較高的靈活性，不妨礙穿戴者四肢行動(dòng)，經(jīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，最大可降低測(cè)試人員23％的代謝率，通過(guò)采用人工智能算法實(shí)現(xiàn)走與跑的步態(tài)的100％準(zhǔn)確分類，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)走路和跑步的機(jī)器助力。

在感知與控制技術(shù)方面，現(xiàn)有外骨骼系統(tǒng)通常采用基于IMU姿態(tài)傳感器的慣性感知與控制方案，基于足底壓力感知的步態(tài)識(shí)別與控制方案以及基于表面肌電信號(hào)(sEMG)的生物感知與控制方案。其中基于IMU傳感器的慣性感知方案具有方便穿戴的優(yōu)點(diǎn)，但是抗振動(dòng)沖擊性能差，受限于算法解算時(shí)間而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)精度低，不能應(yīng)用于快速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合；基于足底壓力感知的步態(tài)識(shí)別與控制方案具有步態(tài)感知與識(shí)別實(shí)時(shí)性高，步態(tài)辨識(shí)算法簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是需要為外骨骼系統(tǒng)額外配備一雙傳感鞋，使用穿脫不方便并且適配性差；基于表面肌電信號(hào)(sEMG)的生物感知與控制方案具備人體動(dòng)作意圖感知更加及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，但是表面肌電信號(hào)微弱，易受干擾而導(dǎo)致測(cè)量可靠性較差，不同個(gè)體之間測(cè)量差異性大，這些因素都限制了該方案在戶外負(fù)載機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合的使用。

針對(duì)上述三種方案各自的特點(diǎn)和不足，研究人員提出了采用多種傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)融合的感知與控制方案，然而這又帶來(lái)如下問(wèn)題：⑴.多種傳感測(cè)量設(shè)備使得整個(gè)外骨骼系統(tǒng)可穿戴性變差，一方面增加外骨骼系統(tǒng)穿戴復(fù)雜性和時(shí)間，另一方面會(huì)產(chǎn)生與身上其他作業(yè)裝具之間的干涉；⑵.多傳感器數(shù)據(jù)融合算法增加感知決策數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，導(dǎo)致外骨骼系統(tǒng)響應(yīng)滯后，外骨骼與穿戴者之間動(dòng)作不匹配影響助力效果。

因此，如何提供一種下肢關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)感知與控制系統(tǒng)及方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種下肢關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)感知與控制系統(tǒng)及方法，不僅簡(jiǎn)化了傳感器配置，提高感知系統(tǒng)可靠性、快速性而且不影響其他裝具的可穿戴性，而且實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)助力，且能夠提高人機(jī)之間跟隨性能。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種下肢關(guān)節(jié)助力外骨骼系統(tǒng)感知與控制系統(tǒng)，包括：關(guān)節(jié)角度編碼器、步態(tài)相位感知器、關(guān)節(jié)角位置控制器以及關(guān)節(jié)力矩控制器，其中，