一种外骨骼机器人系统及基于运动学末端检测的控制方法

摘要

一种外骨骼机器人系统及基于运动学末端检测的控制方法，它涉及一种外骨骼机器人系统及控制方法，以解决传统肌电信号检测方法实现辅助提高人体行走，难以达到准确的控制效果，在辅助人体行走过程中抵抗自身的重力方面，人机交互性能差，没有行之有效的控制方法的问题。它包括上体后背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、膝部驱动系统、脚部穿戴系统和捆绑装置；它还包括鞋垫板、后背检测壳体、九轴航姿测量模块、工控计算机、两个薄膜压力传感器、两个第一角度传感器、两个第二角度传感器、两个三轴倾角传感器和三套三维接触力检测装置；本发明用于助力行走和人体运动姿态的检测控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种外骨骼机器人系统及控制方法。

背景技术

可穿戴式外骨骼逐渐成为机器人领域的一个研究热点。可以帮助人体负重，增强运动 的能力。在背负重物行走方面，目前外骨骼研究领域已有多种控制方法可以实现该功能。 但在辅助人体行走过程中抵抗自身的重力方面，尚无行之有效的控制方法。然而，后者对 于辅助老人行走应用中，具有重要的意义。随着人口老龄化的发展，越来越多的老年人面 临日常生活，行动的困难。肌肉力量的衰退使其难以像健康人一样健步如飞。因此，需要 一种外骨骼控制技术，使老人穿戴后，可以帮助老人承受自身的体重，从而使下肢关节在 行走中所需的肌肉力成比例减小。

传统的做法是通过肌电信号检测，在下肢关节动作之前，判断出人体的运动意图，从 而对关节提供适当的辅助扭矩，来帮助人体行走。然而肌电信号的检测难以达到精确的控 制需求，人体的皮肤表面肌电信号强弱因人而异，受多种因素的影响，如人体的胖瘦，皮 肤的粗糙度，运动过程中有无汗液等。因此，肌电信号控制方法在实际使用中，难以达到 准确的控制效果，也不便于日常生活中的使用，申请号为201310688125.3的发明专利申请 提出一种拟人化的下肢助力外骨骼机器人，通过外骨骼来分担人体的部分重力，但是该机 器人在辅助人体行走过程中抵抗自身的重力方面，人机交互性能差，没有行之有效的控制 方法。

发明内容

本发明是为解决传统肌电信号检测方法实现辅助提高人体行走，难以达到准确的控制 效果，在辅助人体行走过程中抵抗自身的重力方面，人机交互性能差，没有行之有效的控 制方法的问题，进而提供一种外骨骼机器人系统及基于运动学末端检测的控制方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

本发明的一种外骨骼机器人系统包括上体后背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括 髋部驱动系统、膝部驱动系统、脚部穿戴系统和捆绑装置；上体后背部包括人体后背支架 和负载安装板，人体后背支架安装在负载安装板上，髋部驱动系统包括外壳，膝部驱动系 统包括小腿连接板，脚部穿戴系统包括U形连接板、脚部橡胶鞋底和两个立式支耳，U形连 接板的中部与小腿连接板的下端铰接，U形连接板的两端分别与两个立式支耳转动连接；

它还包括鞋垫板、后背检测壳体、九轴航姿测量模块、工控计算机、两个薄膜压力传 感器、两个第一角度传感器、两个第二角度传感器、两个三轴倾角传感器和三套三维接触 力检测装置；

每个脚部穿戴系统的U形连接板与小腿连接板连接的转轴上安装有第二角度传感器， 每个脚部穿戴系统的U形连接板与立式支耳连接的转轴上安装有第一角度传感器，两个外 壳的端部各安装有三轴倾角传感器，两个捆绑装置上各安装有薄膜压力传感器；

三个三维接触力检测装置分别布置在人体后背板支架和相应的底板上；

每套三维接触力检测装置包括水平力传递板、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四 连杆、弹性体和两个槽形支撑板；

所述弹性体包括本体、第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第一弹性板、第二弹 性板、第三弹性板和六个应变片；本体的中部加工有纵向设置的第三悬臂梁，第三悬臂梁 的两侧的本体上各固装有纵向设置的第三弹性板，本体的两侧分别固装有第一悬臂梁和第 二悬臂梁，第一悬臂梁的下部固装有第一弹性板且二者连接为一体，第二悬臂梁的下部固 装有第二弹性板且二者连接为一体，第一悬臂梁的两侧面各粘贴有一个应变片，第二悬臂 梁的两侧面各粘贴有一个应变片，第三悬臂梁的两侧面各粘贴有一个应变片；

每套三维接触力检测装置中的弹性体布置在底板上，底板与脚部橡胶鞋底或后背检测 壳体连接，脚部穿戴系统中的两个立式支耳竖直设置在底板的两侧边上；

第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆水平且平行布置；第一连杆与第二连杆铰 接，第二连杆与其中一个槽形支撑板铰接，第一悬臂梁插装在其中一个槽形支撑板的开口 内；第三连杆与第四连杆铰接，第三连杆与剩余一个槽形支撑板铰接，第二悬臂梁插装在 剩余一个槽形支撑板的开口内；第二连杆转动安装在底板的前端，第四连杆转动安装在底 板的后端；

后背检测壳体与负载安装板连接，后背检测壳体的背面上安装有九轴航姿测量模块； 底板的前端与所述其中一个槽形支撑板连接，底板的后端与所述剩余一个槽形支撑板连接， 水平力传递板与鞋垫板或人体后背支架连接，水平力传递板的表面加工有突出部，突出部 插装在第三悬臂梁的端部加工的并与突出部匹配的通孔内；

工控计算机安装有外围扩展电路，包括I/O数据采集卡和CAN卡，实现多种传感信息 的采集和与关节驱动电机的通信及控制。

本发明的一种外骨骼机器人系统的基于运动学末端检测的控制方法是按照以下步骤进 行的：

步骤一：设定外骨骼机器人对人体质量的抵消程度，其中：h人体质量，kg；g为重力 加速度，m/s²，系统的控制目标为抵消的质量分数m；

单腿支撑及单腿摆动的控制：设F3、F4和T为人体后背支架坐标系映射到右腿或左腿 坐标系后的值；F3为竖直力，F4为水平力，T为扭矩；F5为支撑腿脚底支撑力垂直分力；

步骤二、控制支撑腿膝关节转角θ_zk使[(1-m)·F₃-m·F₅]回归零；

步骤三、检测人体重心在竖直方向的加速度为a，m/s²，已知人体重心到后背检测支架 的距离为L，控制支撑腿髋关节转角θ_zh1使T回归(hg+ha)mL；支撑腿膝关节转角θ_zk实时 叠加到支撑腿髋关节上，支撑腿髋关节转角θ_zh＝θ_zh1+θ_zk；

步骤四、将摆动腿的脚底二维力检测值，经过当前摆动腿的脚底的第一角度传感器或 第二角度传感器坐标系映射到外骨骼小腿坐标系上，设映射后的值设定为F1和F2；根据 F1和F2的合力，并规划出摆动腿髋关节的转角θ_bh1和膝关节的转角θ_bk1；

步骤五、将支撑腿髋关节转角θ_zh实时叠加到摆动腿髋关节转角上，摆动腿髋关节实际 转角为θ_bh＝θ_zh+θ_bh1；

步骤六、摆动腿膝关节实际转角θ_bk＝θ_bk1。

本发明的一种外骨骼机器人系统的基于运动学末端检测的控制方法是按照以下步骤进 行的：

步骤一：设定外骨骼机器人对人体质量的抵消程度，其中：h人体质量，kg；g为重力 加速度，m/s²，系统的控制目标为抵消的质量分数m；

双腿支撑的控制：根据脚底支撑力的竖直分力F1和F5的大小，以较大值的一侧为主 支撑腿，较小值的一侧为副支撑腿，设F3、F4和T为人体后背支架坐标系映射到右腿或左 腿坐标系后的值，F3为竖直力，F4为水平力，T为扭矩；设F5>F1，则此时F5对应的一 侧为主支撑腿；

步骤二、控制主支撑腿膝关节转角θ_zzk使[(1-m)·F₃-m·(F₁+F₅)]回归零；

步骤三、控制主支撑腿髋关节转角θ_zzh1使T回归(hg+ha)mL；主支撑腿膝关节转角θ_zzk实时叠加到主支撑腿髋关节上，主支撑腿髋关节实际为θ_zzh＝θ_zzh1+θ_zzk；

步骤四、控制副支撑腿膝关节转角θ_fzk使副支撑腿膝关节的大腿支撑力F7归零；

步骤五、副支撑腿膝关节转角θ_fzk和主支撑腿髋关节实际转角θ_zzh均叠加到副支撑腿髋 关节上，因此，控制副支撑腿髋关节实际转角为θ_fzh＝θ_fzk+θ_zzh。

本发明的一种外骨骼机器人系统的基于运动学末端检测的控制方法是：双脚腾空控制： 分别对左腿和右腿按照摆动相处理，将摆动腿的脚底二维力检测值经过当前摆动腿的脚底 的第一角度传感器或第二角度传感器坐标系映射到外骨骼小腿坐标系上，映射后的值设定 为F1和F2或F5和F6，根据F1和F2或F5和F6的合力，规划出摆动腿髋关节的转角θ_bh1 和摆动腿膝关节的转角θ_bk1即可。

本发明的有益效果是：本发明基于一款现有的高度拟人化的下肢外骨骼机器人，针对 辅助老人行走的实际应用，提出了一种基于运动学末端检测的外骨骼机器人系统及控制方 法，能够在行走的过程中依靠外骨骼的腰带和肩带对穿戴者提供向上的提升力，从而减小 脚底承受的重力，使人行走感觉身轻如燕。施加给穿戴者的提升力和脚底的剩余支撑力具 有严格的比例关系，从而保证了穿戴者仍有真实的基于地面反作用力的行走感受。由于人 体在行走过程中，脚底的支撑力有其固定的变化规律，本发明相当于成比例的减小了脚底 的支撑力的大小，而不对其变化规律造成破坏，避免了穿戴者产生脚部虚浮的感觉。本发 明的控制方法适用于辅助老人行走，帮助其抵抗自身的重力。另外，也适用于一般的外骨 骼应用，如帮助正常人负重行走等。

本发明能够在行走的过程中依靠外骨骼的腰带和肩带对穿戴者提供向上的提升力，从 而减小脚底承受的重力，使人行走中下肢肌肉承力减小；施加给穿戴者的提升力和脚底的 剩余支撑力具有严格的比例关系，从而保证了穿戴者仍有真实的基于地面反作用力的行走 感受；

设计了合理分布的多传感检测装置，划分了人体下肢基本的运动形态，包括三种：单 脚着地，双脚着地，双脚腾空。对于单腿而言，又分为摆动相和支撑相。对任意一种运动 形态，均可准确的进行运动形态判断和运动意图辨识；

多传感检测信息融合处理和人体运动意图智能辨识相结合，制定出相应的外骨骼机器 人控制策略，达到了外骨骼对人体行走的实时性成比例助力，从而保证了穿戴者的正常的 行走感受，提高了老年人的行走能力。本发明对脚底支撑力进行成比例的缩小，而不对其 变化规律造成破坏，避免了穿戴者产生脚部虚浮的感觉。因此相对保留了行走过程中人体 自身的平衡性控制本能。

本发明适用于穿戴型助力外骨骼助力机器人，帮助老年人提高行走能力，实现良好的 助力效果。依靠外骨骼的腰带和肩带对穿戴者提供向上的提升力，从而减小脚底承受的重 力。施加给穿戴者的提升力和脚底的剩余支撑力具有严格的比例关系，相当于成比例的减 小了脚底支撑力的大小，而不对脚底支撑力的变化规律造成破坏，避免了穿戴者产生脚部 虚浮的感觉。另外，本发明的控制方法也适用于一般的外骨骼机器人应用，如帮助正常人 负重行走等。

附图说明

图1是本发明前侧看的立体结构示意图，图2是本发明后侧看的立体结构示意图，图3 是三维接触力检测装置人体后背支架上的分解示意图，图4是脚部穿戴系统结构示意图， 图5是三维接触力检测装置的立体结构示意图，图6是三维接触力检测装置与后背检测壳 体连接的立体结构示意图，图7是三维接触力检测装置实现人机交互力信息测量的机构简 图，图8是单腿摆动测控示意图，图9是单腿支撑测控示意图，图10是双腿支撑测控示意 图，图11为本发明的控制示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图7和图11说明，本实施方式的一种外骨骼机器人系统包 括上体后背部A、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统B、膝部驱动系统C、脚 部穿戴系统D和捆绑装置G；上体后背部A包括人体后背支架2和负载安装板7，人体后背 支架2安装在负载安装板7上，髋部驱动系统B包括外壳22，膝部驱动系统C包括小腿连 接板44，脚部穿戴系统D包括U形连接板51、脚部橡胶鞋底58和两个立式支耳55-2，U 形连接板51的中部与小腿连接板44的下端铰接，U形连接板51的两端分别与两个立式支 耳55-2转动连接；

它还包括鞋垫板5、后背检测壳体30、九轴航姿测量模块35、工控计算机、两个薄膜 压力传感器38、两个第一角度传感器32、两个第二角度传感器33、两个三轴倾角传感器 36和三套三维接触力检测装置；

每个脚部穿戴系统D的U形连接板51与小腿连接板44连接的转轴上安装有第二角度 传感器33，每个脚部穿戴系统D的U形连接板51与立式支耳55-2连接的转轴上安装有第 一角度传感器32，两个外壳22的端部各安装有三轴倾角传感器36，两个捆绑装置G上各 安装有薄膜压力传感器38；

三个三维接触力检测装置分别布置在人体后背板支架2和相应的底板55-1上；

每套三维接触力检测装置包括水平力传递板6、第一连杆11、第二连杆12、第三连杆 14、第四连杆15、弹性体17和两个槽形支撑板10；

所述弹性体17包括本体27、第一悬臂梁19、第二悬臂梁20、第三悬臂梁22、第一弹 性板21、第二弹性板23、第三弹性板18和六个应变片25；本体27的中部加工有纵向设置 的第三悬臂梁22，第三悬臂梁22的两侧的本体27上各固装有纵向设置的第三弹性板18， 本体27的两侧分别固装有第一悬臂梁19和第二悬臂梁20，第一悬臂梁19的下部固装有第 一弹性板21且二者连接为一体，第二悬臂梁20的下部固装有第二弹性板23且二者连接为 一体，第一悬臂梁19的两侧面各粘贴有一个应变片25，第二悬臂梁20的两侧面各粘贴有 一个应变片25，第三悬臂梁22的两侧面各粘贴有一个应变片25；

每套三维接触力检测装置中的弹性体17布置在底板55-1上，底板55-1与脚部橡胶鞋 底58或后背检测壳体30连接，脚部穿戴系统D中的两个立式支耳55-2竖直设置在底板55-1 的两侧边上；

第一连杆11、第二连杆12、第三连杆14和第四连杆15水平且平行布置；第一连杆11 与第二连杆12铰接，第二连杆12与其中一个槽形支撑板10铰接，第一悬臂梁19插装在 其中一个槽形支撑板10的开口内；第三连杆14与第四连杆15铰接，第三连杆14与剩余 一个槽形支撑板10铰接，第二悬臂梁20插装在剩余一个槽形支撑板10的开口内；第二连 杆12转动安装在底板55-1的前端，第四连杆15转动安装在底板55-1的后端；

后背检测壳体30与负载安装板7连接，后背检测壳体30的背面上安装有九轴航姿测 量模块35；底板55-1的前端与所述其中一个槽形支撑板10连接，底板55-1的后端与所述 剩余一个槽形支撑板10连接，水平力传递板6与鞋垫板5或人体后背支架2连接，水平力 传递板6的表面加工有突出部，突出部插装在第三悬臂梁22的端部加工的并与突出部匹配 的通孔27-1内；

工控计算机安装有外围扩展电路，包括I/O数据采集卡和CAN卡，实现多种传感信息 的采集和与关节驱动电机的通信及控制。

本实施方式的工控计算机可采用PC104工控计算机，本实施方式的人体后背支架的安 装方式，前面板与人体后背支架固连，后面板与底部的支架一体，然后固连到腰部平台的 负载安装板上，从而保证可以准确的测量外骨骼与人体上身之间的交互力。与左脚的底板 相连的三维接触力检测装置控制外骨骼左腿的髋关节和膝关节进行跟随运动。

本实施方式的九轴航姿测量模块35可采用G-AHRS100型九轴航姿测量系统和IMU数据 采集系统；两个三轴倾角传感器36可采用AHRS IMU惯性航姿九轴电子罗盘倾角仪。

如图11所示，本实施方式的两个捆绑装置G上各安装有薄膜压力传感器38可理解为 大腿辅助捆绑一维力传感器；底板上的两个三维接触力检测装置可理解为左右足底三维力 传感器；人体后背支架上的三维接触力检测装置可理解为后背三维接触力传感器；九轴航 姿测量模块35可理解为驱干航姿传感器；外壳上的三轴倾角传感器36可理解为左右大腿 航姿传感器。关节电机、编码器和伺服驱动器为基于现有的高度拟人化的下肢外骨骼机器 人的现有设备。

具体实施方式二：结合图6说明，本实施方式的第一悬臂梁19的一端加工有球形部， 第二悬臂梁20的一端加工有球形部，第一悬臂梁19的球形部插装在所述其中一个槽形支 撑板10的开口内，第二悬臂梁20的球形部插装在所述剩余一个槽形支撑板10的开口内。 如此设置，悬臂梁的力信息传递上，设计了球形的传力构型结构，减小了摩擦损失，提高 了检测的灵敏度。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图7说明，本实施方式每个所述应变片25为箔式电阻应变片或 应变片传感器。如此设置，如此设置，测量范围广，产品稳定性好，灵敏度高，可测量多 种力学信号。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1-图9和图11说明，本实施方式的一种具体实施方式一或二 任意一项具体实施方式的外骨骼机器人系统的基于运动学末端检测的控制方法的步骤是：

步骤一：设定外骨骼机器人对人体质量的抵消程度，其中：h人体质量，kg；g为重力 加速度，m/s²，系统的控制目标为抵消的质量分数m；

单腿支撑及单腿摆动的控制，设F3、F4和T为人体后背支架坐标系映射到右腿或左腿 坐标系后的值；F3为竖直力，F4为水平力，T为扭矩；F5为支撑腿脚底支撑力垂直分力；

步骤二、控制支撑腿膝关节转角θ_zk使[(1-m)·F₃-m·F₅]回归零；

步骤三、检测人体重心在竖直方向的加速度为a，m/s²，已知人体重心到后背检测支架 的距离为L，控制支撑腿髋关节转角θ_zh1使T回归(hg+ha)mL；支撑腿膝关节转角θ_zk实时 叠加到支撑腿髋关节上，支撑腿髋关节转角θ_zh＝θ_zh1+θ_zk；

步骤四、将摆动腿的脚底二维力检测值，经过当前摆动腿的脚底的第一角度传感器或 第二角度传感器坐标系映射到外骨骼小腿坐标系上，设映射后的值设定为F1和F2；根据 F1和F2的合力，并规划出摆动腿髋关节的转角θ_bh1和膝关节的转角θ_bk1；

步骤五、将支撑腿髋关节转角θ_zh实时叠加到摆动腿髋关节转角上，摆动腿髋关节实际 转角为θ_bh＝θ_zh+θ_bh1；

步骤六、摆动腿膝关节实际转角θ_bk＝θ_bk1。

本实施方式的步骤三中控制支撑腿髋关节转角θ_zh1使T回归(hg+ha)mL，目的是保证 “人-机”后背的平行。

本实施方式图8是单腿摆动相的人体运动意图检测方法。以左腿摆动相为例，检测出 人体主动运动造成的人机脚部之间的二维力F1和F2，控制外骨骼左腿的髋关节和膝关节进 行跟随运动。图9是单腿支撑相的人体运动意图检测方法。以右腿支撑相为例，检测出后 背的人机交互力F3、F4以及扭矩T，右脚底的人机交互力F5和F6，控制髋关节使外骨骼 的后背和人体背部平行，控制膝关节使F3和F5成固定的比例关系。

具体实施方式五、结合图1-图7和图10-图11说明，本实施方式的一种具体实施方式 一或二任意一项具体实施方式的外骨骼机器人系统的基于运动学末端检测的控制方法的步 骤是：

步骤一：设定外骨骼机器人对人体质量的抵消程度，其中：h人体质量，kg；g为重力 加速度，m/s²，系统的控制目标为抵消的质量分数m；

双腿支撑的控制，根据脚底支撑力的竖直分力F1和F5的大小，以较大值的一侧为主 支撑腿，较小值的一侧为副支撑腿，设F3、F4和T为人体后背支架坐标系映射到右腿或左 腿坐标系后的值，F3为竖直力，F4为水平力，T为扭矩；设F5>F1，则此时F5对应的一 侧为主支撑腿；

步骤二、控制主支撑腿膝关节转角θ_zzk使[(1-m)·F₃-m·(F₁+F₅)]回归零；

步骤三、控制主支撑腿髋关节转角θ_zzh1使T回归(hg+ha)mL；主支撑腿膝关节转角θ_zzk实时叠加到主支撑腿髋关节上，主支撑腿髋关节实际为θ_zzh＝θ_zzh1+θ_zzk；

步骤四、控制副支撑腿膝关节转角θ_fzk使副支撑腿膝关节的大腿支撑力F7归零；

步骤五、副支撑腿膝关节转角θ_fzk和主支撑腿髋关节实际转角θ_zzh均叠加到副支撑腿髋 关节上，因此，控制副支撑腿髋关节实际转角为θ_fzh＝θ_fzk+θ_zzh。

具体实施方式六：结合图1-图9和图11说明，本实施方式的一种具体实施方式一或二 的任意一项具体实施方式的外骨骼机器人系统的基于运动学末端检测的控制方法是：

双脚腾空控制，分别对左腿和右腿按照摆动相处理，将摆动腿的脚底二维力检测值经 过当前摆动腿的脚底的第一角度传感器或第二角度传感器坐标系映射到外骨骼小腿坐标系 上，映射后的值设定为F1和F2或F5和F6，根据F1和F2或F5和F6的合力，规划出摆 动腿髋关节的转角θ_bh1和摆动腿膝关节的转角θ_bk1即可。

对于双腿腾空状态，如在跑步时，会出现短暂的双脚离地状态，这时相当于两只摆动 相的腿，分别对左腿和右腿按照具体实施方式四摆动相处理即可。