[發明專利]一種外骨骼裝置及外骨骼運動控制方法

在審

• 申請號: 202011497152.9
• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112641603A
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 魏巍;林西川;查士佳
• 申請（專利權）人: 邁寶智能科技（蘇州）有限公司
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00;B25J9/00
• 代理公司: 南京九致知識產權代理事務所(普通合伙) 32307
• 代理人: 韓蓮

1.一種外骨骼裝置，包括足部構件；所述足部構件與小腿連接采用具有矢狀面的欠驅動自由度；其特征在于，所述足部構件包括：

足底板，用于接觸地面；

雙側板，分別設于足底板的兩側，一側板上設有能量扣，另一側板上安裝有綁帶；所述能量扣與所述綁帶能夠扣接；

紅外傳感裝置，內置于一側板中，用于檢測足底板是否接觸地面；

光電傳感器，內置于一側板中，用于檢測足底板的運動狀態；

足部IMU，內置于一側板中，用于檢測安裝外骨骼裝置的人體運動狀態。

2.根據權利要求1所述的一種外骨骼裝置，其特征在于，所述足部構件相對于小腿連接的自由度采用雙向軸承實現。

3.根據權利要求1所述的一種外骨骼裝置，其特征在于，還包括小腿節點板與主控制器；所述紅外傳感器、光電傳感器以及足部IMU均通過電氣走線連接于小腿節點板，所述小腿節點板通過外骨骼裝置內置的CAN總線連接于主控制器。

4.一種基于權利要求1-3任一所述的外骨骼裝置的外骨骼控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

初始化主控制器，并獲取足部構件中的紅外傳感裝置、光電傳感器以及足部IMU的基準值；

獲取當前外骨骼裝置中的下肢關節角度信息和背部IMU角度信息，主控制器確定步態控制方案；

獲取當前足部IMU所采集人體矢狀面的角度信息和光電傳感器的傳感信息，并對其數據處理；

數據處理完成后，對歷史運動數據進行最小二乘法取斜率；再根據足底狀態機對單腿的運動狀態進行識別；

當識別出人的單腿動作為落地狀態，此時，對左關節的交互力F_{l_A}和右關節的交互力F_{r_A}均規劃為0；在當識別出的人的動作為抬腿時，根據左腿的主動驅動的關節角度信息和右腿的主動驅動的關節角度信息，進行交互力規劃；

交互力規劃完成后，通過PID控制器控制轉矩電機輸出力矩，進而控制運動過程中的交互力。

5.根據權利要求4所述的一種基于外骨骼裝置的外骨骼控制方法，其特征在于，主控制器確定步態控制方案：

如果當前角度數據顯示為人體直立狀態，則步態控制方案會切換至行走助力控制階段；

如果當前角度數據信息顯示人體為匍匐狀態，則步態控制方案會將交互力始終規劃為0，并控制PID控制器控制轉矩電機輸出力矩。

6.根據權利要求4所述的一種基于外骨骼裝置的外骨骼控制方法，其特征在于，獲取當前足部IMU采集人體矢狀面的角度信息和光電傳感器的傳感信息，并對其數據處理；

依次進行卡爾曼濾波處理與數據歸一化處理，得到數據θ_f；

并進行如下處理：

其中θ_b為上電后，系統在初始化過程中獲得的足部IMU傳感器數據基準值。

7.根據權利要求4所述的一種基于外骨骼裝置的外骨骼控制方法，其特征在于，根據足底狀態機對單腿的運動狀態進行識別，包括

若足部構件為站立狀態或懸空狀態，在光電傳感器檢測為0，足底角度斜率大于正向閾值時，足部構件將進行抬腳運動；

若足部構件為抬腳狀態或落腳狀態，光電傳感器檢測為0，足底角度斜率介于正向閾值和負向閾值之間，足部構件將進行懸空；

若足部構件為懸空狀態，光電傳感器檢測為0，足底角度斜率小于負向閾值，足部構件將進行落腳運動；若足部構件為落腳狀態，光電傳感器檢測為0，足底角度斜率小于負向閾值，足部構件將進行抬腳運動；若足部構件為落腳狀態，光電傳感器檢測為0，足底角度斜率小于負向閾值，足部構件將進行抬腳運動；

若足部構件為落腳狀態，光電傳感器檢測為1，足底角度斜率介于正負向閾值之間，足部構件將進行站立。

8.根據權利要求4所述的一種基于外骨骼裝置的外骨骼控制方法，其特征在于，進行交互力規劃包括：

其中θ_l為左大腿的足部IMU的Pitch方向的角度數據；

θ_r為右大腿的足部IMU的Pitch方向的角度數據；

K為調整的增益系數，用于調整運動過程中的助力大小。