一种用于外骨骼随动控制的姿态测量系统及其使用方法

摘要

本发明公开了一种用于外骨骼随动控制的姿态测量系统及其使用方法，系统包括右小腿姿态仪、右大腿姿态仪、左小腿姿态仪、左大腿姿态仪、上身姿态仪、左髋编码器、右髋编码器、左膝编码器、右膝编码器、左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板、数据接收装置、数据处理装置和动力子系统；数据处理装置判断由多个编码器反馈的数据是否与控制命令发出的控制外骨骼行走的数据是否相符合，若不符合进行后续反馈控制。本发明不仅对外骨骼进行姿态控制，还对外骨骼的姿态进行测量反馈之后，判断外骨骼的运动是否与人体的运动相符合，进行后续补偿，使外骨骼能够更好地与人随动。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于外骨骼随动控制的姿态测量系统及其使用方法。

背景技术

外骨骼机器人是仿生人类骨骼设计，帮助下肢残疾的伤员站立，并能像正常人一样行走的机器人。正常人穿上外骨骼机器人能够成倍的提升人体的负重能力，外骨骼机器人与人的结合，是人类自身能力的扩展。穿上外骨骼在行走的过程中，要实时的识别外骨骼行走的姿态，判断自身的位置情况，根据不同的场景选择不同的步态。识别姿态的方法有视觉识别方法，但视觉识别姿态的计算量非常大，对系统的要求高。本发明旨在用姿态仪识别外骨骼姿态。

在本领域中，已经公开的技术专利公开号为CN104463108A的名为“一种单目实时目标识别及位姿测量方法”的专利，该系统通过在智能机器上安装一个摄像头，通过摄像机拍摄现场的场景，然后对拍摄到的场景进行预处理，获得场景的特征，得到图像的特征点数据，然后将得到的场景的特征点数据与目标数据库中的目标图像的特征进行匹配，根据匹配特征点的数据，经过计算得到矩阵，进而完成对目标的识别，完成姿态测量，确定位置。

该专利改进了相当于其现有技术的算法，提升了速度，但是还有一些不足：（1）需要场景的目标数据库，需要建立庞大的数据库，需要做大量的工作；（2）需要对摄像机进行标定，通过拍摄到的场景与数据库中的场景进行对比才能确定姿态，计算量很大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于外骨骼随动控制的姿态测量系统及其使用方法，不仅对外骨骼进行姿态控制，还对外骨骼的姿态进行测量反馈之后进行后续补偿。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于外骨骼随动控制的姿态测量系统，它包括右小腿姿态仪、右大腿姿态仪、左小腿姿态仪、左大腿姿态仪、上身姿态仪、左髋编码器、右髋编码器、左膝编码器、右膝编码器、左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板、数据接收装置、数据处理装置和动力子系统；所述的右小腿姿态仪、右大腿姿态仪、左小腿姿态仪、左大腿姿态仪、上身姿态仪分别将人体右小腿、右大腿、左小腿、左大腿和上身的姿态数据通过数据接收装置发送至数据处理装置，数据接收装置对数据进行分析处理之后发送控制命令分别至左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板，通过左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板控制动力子系统输出的动力大小和速度，所述的动力用于控制左髋关节、右髋关节、左膝关节和右膝关节的外骨骼行走；所述的左髋编码器、右髋编码器、左膝编码器、右膝编码器分别采集左髋关节、右髋关节、左膝关节、右膝关节转动的角度信息，并分别通过左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板发送至数据处理装置；数据处理装置判断由多个编码器反馈的数据是否与控制命令发出的控制外骨骼行走的数据是否相符合，若不符合进行后续反馈控制。

所述的动力子系统为液压系统，所述的液压系统包括四个液压泵、四个液压缸、四个伺服放大器，所述的液压泵上设置有伺服阀，所述的四个液压缸分别设置于左髋关节、右髋关节、左膝关节、右膝关节处；所述的四个伺服放大器分别接收经过左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板放大之后的控制信号，通过控制伺服阀控制液压泵液体的流量和速度，液压泵的动力输出端与液压缸连接。

所述的左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板结构相同，均包括用于采集对应编码器数据的信息采集模块、用于接收数据处理装置控制信号和向数据处理装置发送编码器数据的信息交互模块、用于放大控制信号的放大模块和用于向对应动力子系统输出放大后的控制信号的信号发送模块。

所述的数据接收装置为接收基站，所述的数据处理装置为PC上位机，所述的PC上位机与接收基站之间通过CAN总线进行数据交互，所述的PC上位机与节点板之间也通过CAN总线进行数据交互。

所述的右小腿姿态仪、右大腿姿态仪、左小腿姿态仪、左大腿姿态仪、上身姿态仪结构相同，均包括ARM控制处理芯片、陀螺仪、加速度计、无线传输模块、数模转换电路；陀螺仪的输出端与ARM控制处理芯片连接，加速度计的输出端也与ARM控制处理芯片连接，ARM控制处理芯片的输出端与数模转换电路连接，数模转换电路的输出端与无线传输模块连接，无线传输模块将数据发送至数据接收装置。

所述的右小腿姿态仪、右大腿姿态仪、左小腿姿态仪、左大腿姿态仪、上身姿态仪均还包括串口、CAN总线接口和USB接口，所述的串口用于向姿态仪下载程序或者使用外部电脑对姿态仪进行在线调试；所述的CAN总线用于挂载作为扩充的其他设备；所述的USB接口作为下载数据的辅助备用接口。

一种用于外骨骼随动控制的姿态测量系统的使用方法，包括以下步骤：

S1：右小腿姿态仪、右大腿姿态仪、左小腿姿态仪、左大腿姿态仪、上身姿态仪分别采集使用者的右小腿、右大腿、左小腿、左大腿和上身，并将数据发送至数据接收装置；

S2：数据接收装置将接收到的信息传送给数据处理装置；

S3：数据处理装置通过对数据的处理，将信息分别传送给左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板；

S4：左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板控制动力子系统向外骨骼输出的动力大小和速度；

S5：设置于外骨骼的左髋关节、右髋关节、左膝关节、右膝关节的编码器分别采集外骨骼在行走过程中关节转动的角度，并将数据通过左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板发送至数据处理装置进行分析；

S6：数据处理装置判断由多个编码器反馈的数据是否与控制命令发出的控制外骨骼行走的数据是否相符合，若不符合进行后续反馈控制。

步骤S6中所述的后续反馈控制包括：

（1）当关节的实际转动角度大于控制命令发出的数据，则按比例降低发出的控制命令的数据；

（2）当关节的实际转动角度小于控制命令发出的数据，则按比例增加发出的控制命令的数据；

（3）当关节的实际转动角度与控制命令发出的数据的差值大于预设的第一阈值，则向外部发出系统故障的警告信息；

（4）当关节的实际转动角度与控制命令发出的数据的差值小于预设的阈值，但持续时间大于预设的第二阈值，则向外部发出系统故障的警告信息。

本发明的有益效果是：

本发明不仅对外骨骼进行姿态控制，还对外骨骼的姿态进行测量反馈之后，判断外骨骼的运动是否与人体的运动相符合，进行后续补偿，使外骨骼能够更好地与人随动；并且，还利用液压作为系统动力代替电机输出扭力小的问题，能提供更大动力；另外，利用姿态仪作为随动控制信号源精度高，能实时监测行走姿态；最后，利用2.4G无线传输模块传输信息，避免了复杂的线路连接，使系统简洁美观，并且能省去其他无线传输的复杂协议，使系统简化。

附图说明

图1为本发明结构方框图；

图2为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：

如图1所示，一种用于外骨骼随动控制的姿态测量系统，它包括右小腿姿态仪、右大腿姿态仪、左小腿姿态仪、左大腿姿态仪、上身姿态仪、左髋编码器、右髋编码器、左膝编码器、右膝编码器、左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板、数据接收装置、数据处理装置和动力子系统；所述的右小腿姿态仪、右大腿姿态仪、左小腿姿态仪、左大腿姿态仪、上身姿态仪分别将人体右小腿、右大腿、左小腿、左大腿和上身的姿态数据通过数据接收装置发送至数据处理装置，数据接收装置对数据进行分析处理之后发送控制命令分别至左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板，通过左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板控制动力子系统输出的动力大小和速度，所述的动力用于控制左髋关节、右髋关节、左膝关节和右膝关节的外骨骼行走；所述的左髋编码器、右髋编码器、左膝编码器、右膝编码器分别采集左髋关节、右髋关节、左膝关节、右膝关节转动的角度信息，并分别通过左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板发送至数据处理装置；数据处理装置判断由多个编码器反馈的数据是否与控制命令发出的控制外骨骼行走的数据是否相符合，若不符合进行后续反馈控制。

右小腿姿态仪、右大腿姿态仪、左小腿姿态仪、左大腿姿态仪、上身姿态仪通过绑缚的方式分别设置与右小腿、右大腿、左小腿、左大腿、上身（前胸或者后背）。

PC上位机、基站、节点板、伺服放大器等器件集成安装在背包里面。

左髋编码器、右髋编码器、左膝编码器、右膝编码器分别设置与外骨骼的左髋关节、右髋关节、左膝关节、右膝关节的侧面。

所述的动力子系统为液压系统，所述的液压系统包括四个液压泵、四个液压缸、四个伺服放大器，所述的液压泵上设置有伺服阀，所述的四个液压缸分别设置于左髋关节、右髋关节、左膝关节、右膝关节处；所述的四个伺服放大器分别接收经过左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板放大之后的控制信号，通过控制伺服阀控制液压泵液体的流量和速度，液压泵的动力输出端与液压缸连接。

液压系统也可以与PC上位机进行连接，方便PC上位机对液压系统

所述的左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板结构相同，均包括用于采集对应编码器数据的信息采集模块、用于接收数据处理装置控制信号和向数据处理装置发送编码器数据的信息交互模块、用于放大控制信号的放大模块和用于向对应动力子系统输出放大后的控制信号的信号发送模块。

所述的数据接收装置为接收基站，所述的数据处理装置为PC上位机，所述的PC上位机与接收基站之间通过CAN总线进行数据交互，所述的PC上位机与节点板之间也通过CAN总线进行数据交互。

所述的右小腿姿态仪、右大腿姿态仪、左小腿姿态仪、左大腿姿态仪、上身姿态仪结构相同，均包括ARM控制处理芯片、陀螺仪、加速度计、2.4G无线传输模块、数模转换电路；陀螺仪的输出端与ARM控制处理芯片连接，加速度计的输出端也与ARM控制处理芯片连接，ARM控制处理芯片的输出端与数模转换电路连接，数模转换电路的输出端与2.4G无线传输模块连接，2.4G无线传输模块将数据发送至数据接收装置。

所述的右小腿姿态仪、右大腿姿态仪、左小腿姿态仪、左大腿姿态仪、上身姿态仪均还包括串口、CAN总线接口和USB接口，所述的串口用于向姿态仪下载程序或者使用外部电脑对姿态仪进行在线调试；所述的CAN总线用于挂载作为扩充的其他设备；所述的USB接口作为下载数据的辅助备用接口。

在人体的大腿中部、小腿中部和背部（或胸前）绑缚姿态仪装置，人行走时，通过5个姿态以合成人行走时的各个关节的角度和行走姿态，5块姿态仪分别将自己的数据传给背部接受基站，基站通过CAN总线将接收到的信息传给PC上位机控制平台，上位机通过对数据的处理，然后将信息分别传给相应的4块节点板，节点板通过控制液压系统控制液压缸的行程（迈腿和收腿），并通过安装在髋关节和膝关节处的编码器返回信息。

如图2所示，一种用于外骨骼随动控制的姿态测量系统的使用方法，包括以下步骤：

S1：右小腿姿态仪、右大腿姿态仪、左小腿姿态仪、左大腿姿态仪、上身姿态仪分别采集使用者的右小腿、右大腿、左小腿、左大腿和上身，并将数据发送至数据接收装置；

S2：数据接收装置将接收到的信息传送给数据处理装置；

S3：数据处理装置通过对数据的处理，将信息分别传送给左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板；

S4：左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板控制动力子系统向外骨骼输出的动力大小和速度；

S5：设置于外骨骼的左髋关节、右髋关节、左膝关节、右膝关节的编码器分别采集外骨骼在行走过程中关节转动的角度，并将数据通过左髋节点板、右髋节点板、左膝节点板、右膝节点板发送至数据处理装置进行分析；

S6：数据处理装置判断由多个编码器反馈的数据是否与控制命令发出的控制外骨骼行走的数据是否相符合，若不符合进行后续反馈控制。

步骤S6中所述的后续反馈控制包括：

（1）当关节的实际转动角度大于控制命令发出的数据，则按比例降低发出的控制命令的数据；

（2）当关节的实际转动角度小于控制命令发出的数据，则按比例增加发出的控制命令的数据；

（3）当关节的实际转动角度与控制命令发出的数据的差值大于预设的第一阈值，则向外部发出系统故障的警告信息；

（4）当关节的实际转动角度与控制命令发出的数据的差值小于预设的阈值，但持续时间大于预设的第二阈值，则向外部发出系统故障的警告信息。