[發(fā)明專利]一種外骨骼機(jī)器人主動(dòng)訓(xùn)練用步態(tài)協(xié)調(diào)助力控制系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011518034.1
• 申請日: 2020-12-21
• 公開（公告）號: CN112618283B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何鋒;黃河;程愛平;陳贊;邢啟鵬;蔣旭鋼
• 申請（專利權(quán)）人: 南京偉思醫(yī)療科技股份有限公司
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00;A61H1/02
• 代理公司: 南京冠譽(yù)至恒知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32426
• 代理人: 黃成萍

1.一種外骨骼機(jī)器人主動(dòng)訓(xùn)練用步態(tài)協(xié)調(diào)助力控制系統(tǒng)，該外骨骼機(jī)器人包括雙腿助力運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在雙腿助力運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)位置分別設(shè)置髖關(guān)節(jié)直流伺服電機(jī)和膝關(guān)節(jié)直流伺服電機(jī)；其特征在于：該主動(dòng)訓(xùn)練用步態(tài)協(xié)調(diào)助力控制系統(tǒng)包括傳感器信號采集與處理模塊、步態(tài)協(xié)調(diào)助力模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；

通過傳感器信號采集與處理模塊采集左側(cè)髖關(guān)節(jié)直流伺服電機(jī)編碼器值C_{L_J}、左側(cè)膝關(guān)節(jié)直流伺服電機(jī)編碼器值C_{L_K}、右側(cè)髖關(guān)節(jié)直流伺服電機(jī)編碼器值C_{R_J}和右側(cè)膝關(guān)節(jié)直流伺服電機(jī)編碼器值C_{R_K}；

采集外骨骼機(jī)器人的左腿大腿質(zhì)量M_{LR_T}、左腿小腿質(zhì)量M_{LR_S}、右腿大腿質(zhì)量M_{RR_T}和右腿小腿質(zhì)量M_{RR_S}，采集患者的左腿大腿質(zhì)量M_{LH_T}、左腿小腿質(zhì)量M_{LH_S}、右腿大腿質(zhì)量M_{RH_T}和右腿小腿質(zhì)量M_{RH_S}；計(jì)算外骨骼機(jī)器人和患者的左腿大腿人機(jī)總質(zhì)量M_{L_T}＝M_{LR_T}+M_{LH_T}、左腿小腿人機(jī)總質(zhì)量M_{L_S}＝M_{LR_S}+M_{LH_S}、右腿大腿人機(jī)總質(zhì)量M_{R_T}＝M_{RR_T}+M_{RH_T}和右腿小腿人機(jī)總質(zhì)量M_{R_S}＝M_{RR_S}+M_{RH_S}；

步態(tài)協(xié)調(diào)助力模塊根據(jù){C_{L_J},C_{L_K},C_{R_J},C_{R_K}}計(jì)算左腿髖關(guān)節(jié)絕對角度θ_{L_J}、左腿膝關(guān)節(jié)絕對角度θ_{L_K}、右腿髖關(guān)節(jié)絕對角度θ_{R_J}和右腿膝關(guān)節(jié)絕對角度θ_{R_K}，根據(jù){θ_{L_J},θ_{L_K},θ_{R_J},θ_{R_K}}計(jì)算左腿髖關(guān)節(jié)修正角度θ_{F_LJ}、左腿膝關(guān)節(jié)修正角度θ_{F_LK}、右腿髖關(guān)節(jié)修正角度θ_{F_RJ}和右腿膝關(guān)節(jié)修正角度θ_{F_RK}，結(jié)合{θ_{F_LJ},θ_{F_LK},θ_{F_RJ},θ_{F_RK}}和{M_{L_T},M_{L_S},M_{R_T},M_{R_S}}計(jì)算左腿髖關(guān)節(jié)助力F_{L_T}、左腿膝關(guān)節(jié)助力F_{L_S}、右腿髖關(guān)節(jié)助力F_{R_T}和右腿膝關(guān)節(jié)助力F_{R_S}；

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù){F_{L_T},F_{L_S},F_{R_T},F_{R_S}}產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)直流伺服電機(jī)和膝關(guān)節(jié)直流伺服電機(jī)的電機(jī)控制指令；

該控制系統(tǒng)產(chǎn)生電機(jī)控制指令的過程包括如下步驟：

(1)根據(jù)脈沖與角度的關(guān)系，由{C_{L_J},C_{L_K},C_{R_J},C_{R_K}}得到{θ_{L_J},θ_{L_K},θ_{R_J},θ_{R_K}}；

(2)根據(jù)雙腿的關(guān)節(jié)角安全活動(dòng)范圍S_a＝{S_{a_l},S_{a_h}}求取左腿髖關(guān)節(jié)角度修正比率R_{a_LJ}、左腿膝關(guān)節(jié)角度修正比率R_{a_LK}、右腿髖關(guān)節(jié)角度修正比率R_{a_RJ}和右腿膝關(guān)節(jié)角度修正比率R_{a_RK}；S_{a_l}為關(guān)節(jié)角安全活動(dòng)范圍下限值，S_{a_h}為關(guān)節(jié)角安全活動(dòng)范圍上限值；根據(jù)下式計(jì)算{R_{a_LJ},R_{a_LK},R_{a_RJ},R_{a_RK}}：

R_{a_LJ}＝(θ_{L_J}-S_{a_l})/(S_{a_h}-S_{a_l})

R_{a_LK}＝(θ_{L_K}-S_{a_l})/(S_{a_h}-S_{a_l})

R_{a_RJ}＝(θ_{R_J}-S_{a_l})/(S_{a_h}-S_{a_l})

R_{a_RK}＝(θ_{R_K}-S_{a_l})/(S_{a_h}-S_{a_l})

(3)根據(jù){R_{a_LJ},R_{a_LK},R_{a_RJ},R_{a_RK}}計(jì)算左腿髖關(guān)節(jié)判斷參考值θ_{M_LJ}、左腿膝關(guān)節(jié)判斷參考值θ_{M_LK}、右腿髖關(guān)節(jié)判斷參考值θ_{M_RJ}和右腿膝關(guān)節(jié)判斷參考值θ_{M_RK}；根據(jù)下式計(jì)算{θ_{M_LJ},θ_{M_LK},θ_{M_RJ},θ_{M_RK}}：

θ_{M_LJ}＝-(R_{a_LJ}-0.5)×θ_{L_J}

θ_{M_LK}＝-(R_{a_LK}-0.5)×θ_{L_K}

θ_{M_RJ}＝-(R_{a_RJ}-0.5)×θ_{R_J}

θ_{M_RK}＝-(R_{a_RK}-0.5)×θ_{R_K}

(4)求取極大關(guān)節(jié)角θ_M＝max{θ_{M_LJ},θ_{M_LK},θ_{M_RJ},θ_{M_RK}}，將極大關(guān)節(jié)角θ_M對應(yīng)的角度修正比率確定為極大角度修正比率R_a；

(5)根據(jù)極大關(guān)節(jié)角θ_M和極大角度修正比率R_a對{θ_{L_J},θ_{L_K},θ_{R_J},θ_{R_K}}進(jìn)行修正，得到{θ_{F_LJ},θ_{F_LK},θ_{F_RJ},θ_{F_RK}}；具體為：先判斷極大關(guān)節(jié)角θ_M屬于四個(gè)關(guān)節(jié)中的哪一個(gè)，然后再計(jì)算四個(gè)關(guān)節(jié)的修正角度{θ_{F_LJ},θ_{F_LK},θ_{F_RJ},θ_{F_RK}}：

①若極大關(guān)節(jié)角θ_M對應(yīng)左髖關(guān)節(jié)或左膝關(guān)節(jié)，則：

θ_{F_LJ}＝θ_{L_J}×(1+R_a)

θ_{F_LK}＝θ_{L_K}×(1+R_a)

θ_{F_RJ}＝-θ_{R_J}×(1+R_a)

θ_{F_RK}＝θ_{R_K}×(1+R_a)

②若極大關(guān)節(jié)角θ_M對應(yīng)右髖關(guān)節(jié)或右膝關(guān)節(jié)，則：

θ_{F_LJ}＝θ_{L_J}×(1+R_a)

θ_{F_LK}＝-θ_{L_K}×(1+R_a)

θ_{F_RJ}＝θ_{R_J}×(1+R_a)

θ_{F_RK}＝θ_{R_K}×(1+R_a)

(6)根據(jù)外骨骼機(jī)器人的左腿大腿長度L_LJ、左腿小腿長度L_LK、右腿大腿長度L_RJ和右腿小腿長度L_RK，結(jié)合{θ_{F_LJ},θ_{F_LK},θ_{F_RJ},θ_{F_RK}}和{M_{L_T},M_{L_S},M_{R_T},M_{R_S}}計(jì)算{F_{L_T},F_{L_S},F_{R_T},F_{R_S}}：

F_{L_T}＝cos(θ_{F_LJ})×L_LJ×M_{L_T}×9.8+cos(θ_{F_LK})×L_LK×M_{L_S}×9.8

F_{L_S}＝cos(θ_{F_LK})×L_LK×M_{L_S}×9.8

F_{R_T}＝cos(θ_{F_RJ})×L_RJ×M_{R_T}×9.8+cos(θ_{F_RK})×L_RK×M_{R_S}×9.8

F_{R_S}＝cos(θ_{F_RK})×L_RK×M_{R_S}×9.8

(7)將{F_{L_T},F_{L_S},F_{R_T},F_{R_S}}發(fā)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。