[發(fā)明專利]一種外骨骼裝置及外骨骼運動控制方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011497152.9
• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112641603A
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魏巍;林西川;查士佳
• 申請（專利權(quán)）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(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32307
• 代理人: 韓蓮

本發(fā)明屬于動力外骨骼領(lǐng)域，涉及一種外骨骼裝置及外骨骼運動控制方法，包括足部構(gòu)件，所述足部構(gòu)件與小腿連接采用具有矢狀面的欠驅(qū)動自由度；所述足部構(gòu)件包括：足底板，用于接觸地面；雙側(cè)板，分別設(shè)于足底板的兩側(cè)，一側(cè)板上設(shè)有能量扣，另一側(cè)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(nèi)置于一側(cè)板中，用于檢測足底板是否接觸地面；光電傳感器，內(nèi)置于一側(cè)板中，用于檢測足底板的運動狀態(tài)；足部IMU，內(nèi)置于一側(cè)板中，用于檢測安裝外骨骼裝置的人體運動狀態(tài)。本申請的技術(shù)方案有效解決現(xiàn)有技術(shù)中壓力傳感器頻繁使用過程中易出現(xiàn)問題的情況。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于動力外骨骼領(lǐng)域，涉及一種外骨骼裝置及外骨骼運動控制方法。

背景技術(shù)

下肢外骨骼機器人在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在醫(yī)療領(lǐng)域，下肢外骨骼機器人已經(jīng)成功應(yīng)用在多種康復(fù)治療設(shè)備上。在軍事領(lǐng)域，下肢外骨骼機器人主要應(yīng)用在力量增強和負載增強方向，無論是康復(fù)設(shè)備還是力量增強型外骨骼需要涉及以下技術(shù)：人體步態(tài)運動感知和運動信息提取，針對不同的傳感設(shè)備，外骨骼設(shè)備上的運動感知技術(shù)也不相同，對于全下肢助力外骨骼，常見的運動感知方式為在主動驅(qū)動關(guān)節(jié)放置角度傳感器，足底放置壓力傳感器；對于單關(guān)節(jié)助力外骨骼，運動感知所使用的傳感器為角度傳感器和腿干處的IMU，在算法上做相應(yīng)的識別。

助力行走設(shè)備如申請?zhí)枮?01610115314.5、名稱為“連桿關(guān)節(jié)一體化液壓驅(qū)動外骨骼控制系統(tǒng)”的中國發(fā)明專利文獻，該專利文獻中采用了足底壓力傳感器和腰部陀螺儀；例如申請?zhí)枮?01810039113.0、名稱為“基于腿部姿態(tài)識別的下肢外骨骼控制系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法”的中國發(fā)明專利文獻，在機器人大腿腿干位置增加三軸加速度傳感器和三軸角速度傳感器以及在足底增加薄膜壓力傳感器識別人體的運動意圖，采用串級PID閉環(huán)控制轉(zhuǎn)矩電機輸出最終轉(zhuǎn)矩。

但申請人在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)存在如下缺陷：由于下肢外骨骼感知足部的運動趨勢多使用的是壓力傳感器，此類傳感器無論是使用液壓或者薄膜壓力傳感器，由于頻繁的與地面接觸并產(chǎn)生碰撞，有易于損壞和不適配所有穿戴者的缺點，其次也不可避免的增加了維修成本，同時控制算法根據(jù)足部的運動狀態(tài)進行運動控制，由于足部易于損壞的缺點，導(dǎo)致控制算法魯棒性降低。導(dǎo)致用戶體驗較差，無法滿足所有應(yīng)用場景需求。

發(fā)明內(nèi)容

本申請?zhí)峁┮环N外骨骼裝置及外骨骼運動控制方法，其有效解決現(xiàn)有技術(shù)中壓力傳感器頻繁使用過程中易出現(xiàn)問題的情況。

為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本申請采取的技術(shù)方案為，一種外骨骼裝置，包括足部構(gòu)件，所述足部構(gòu)件與小腿連接采用具有矢狀面的欠驅(qū)動自由度；所述足部構(gòu)件包括：

足底板，用于接觸地面；

雙側(cè)板，分別設(shè)于足底板的兩側(cè)，一側(cè)板上設(shè)有能量扣，另一側(cè)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(nèi)置于一側(cè)板中，用于檢測足底板是否接觸地面；

光電傳感器，內(nèi)置于一側(cè)板中，用于檢測足底板的運動狀態(tài)；

足部IMU，內(nèi)置于一側(cè)板中，用于檢測安裝外骨骼裝置的人體運動狀態(tài)。

作為本申請改進的技術(shù)方案，所述足部構(gòu)件相對于小腿連接的自由度采用雙向軸承實現(xiàn)。

作為本申請改進的技術(shù)方案，還包括小腿節(jié)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(jié)點板，所述小腿節(jié)點板通過外骨骼裝置內(nèi)置的CAN總線連接于主控制器。

本申請的另一目的是提供一種外骨骼裝置的外骨骼控制方法，包括如下步驟：

初始化主控制器，并獲取足部構(gòu)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(dāng)前外骨骼裝置中的下肢關(guān)節(jié)角度信息和背部IMU角度信息，主控制器確定步態(tài)控制方案；