[发明专利]一种基于新型感知的外骨骼机器人辅助装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于新型感知的外骨骼机器人辅助装置及方法，所述装置包括：左腿传感器模块、右腿传感器模块、数据处理主板、上位计算机及外骨骼控制器；所述方法包括：S1，左腿传感器模块与右腿传感器模块同时采集数据；S2，根据采集数据分别计算出左右腿膝盖、脚踝的夹角数据；S3，根据计算结果对关节的旋转角度进行预测并发送预测数据；S4，将发送过来的左右腿的数据进行整合，实现时间同步；S5，发送给外骨骼控制器或者上位计算机。本发明方案利用传感器、微控器及无线通信模块实现了人体步态感知系统，实现了预测人体下肢关节未来一段时间的运动情况，解决了外骨骼与穿戴者运动不协调的问题。

技术领域

本发明属于医疗辅助机器人，涉及一种基于新型感知的外骨骼机器人辅助装置及方法。

背景技术

21世纪以来，随着机器人技术的不断成熟，机器人技术得到了更广泛应用。从工业机器人发展到服务型机器人，机器人逐渐走入了人们的日常生活当中，给我们带来了诸多方便。随着人类物质生活水平的提高及精神生活的日益丰富，未来机器人将跟人类更密切的联系在一起。

下肢负重外骨骼是一种可穿戴机器人，通过为人体提供外力支持，达到降低人体的负荷、提高人体持久运动能力的目的，在提高单兵作战能力、专配维修作业及医疗助残方面有广泛的应用前景。

下肢负重外骨骼工作机理为感知系统实时捕获人体步行状态，控制器产生控制信号驱动机械骨骼跟随人体运动。但从感知系统捕获人体步态到输出控制信号，以及驱动机构(通常为电机或液压)驱动外骨骼关节到达目标轨迹均需要一定的时间，而此过程人体已经运动到另一状态，因此，机械外骨骼步态滞后于穿戴者步态，从而干扰穿戴者的行走行为。

为解决此问题，其控制系统的参考信号应当超前于人体的运动状态，需要对人体运动步态进行实时、准确的捕获和预测。

申请公布号为CN103431929A的发明专利申请公开了“一种力量增强型动力外骨骼行走步态感知方法及装置”，具体步骤为：采用脚底压力传感器和膝关节编码器以及陀螺仪进行人触地信息、关节角度变化以及大小腿角速度信息测量，依据人机携行规律提出了双腿站立，左腿支撑、右腿摆动，双腿支撑、右腿在前，右腿支撑、左腿摆动，双腿支撑，左腿在前等行走5个步态子相划分方法，并采用机器学习算法对5种步态子相中测量信息进行分类决策，给出一种数据融合行走步态子相识别方法。该发明能够提前让液压控制系统收缩，提高人机携行速度，但因其参考信息有限，无法对穿戴者行为进行快速预测，在快速运动时依旧无法解决机械外骨骼步态滞后的问题。

申请公布号为CN105150211A的发明专利申请公开了“一种负重型下肢外骨骼机器人的控制系统”，该系统由两个功能相同子系统构成；每个子系统由信号采集装置、微控制器、运动执行机构以及控制算法组成；所述下肢外骨骼机器人用于为穿戴者下肢提供助力；所述信号采集装置由薄膜压力传感器、磁角度传感器、多通道放大器、多通道低通滤波器构成，完成穿戴者足底压力信号和下肢外骨骼机器人的踝关节角度信号的采集；所述运动执行机构由伺服驱动器组和伺服电缸组组成；所述控制算法采用末端跟随控制算法。该发明能够提高机器人对穿戴者身高的适应性，但其没有相应的预测算法，无法实现穿戴者的下一步动作预测，无法解决机械外骨骼步态滞后的问题。

申请公布号为CN105078708A的发明专利申请公开了“一种外骨骼机器人随动控制装置”，该装置包括上臂、下臂，上臂下端和下臂上端采用可转动的关节连接，所述上臂或下臂上设有可垂直于轴线方向滑动的主动压块，所述主动压块与人体绑定，上臂或下臂上与主动压块对应设置有两个微动开关，所述上臂和下臂之间设有驱动转动的动力装置，两个微动开关分别控制动力装置的正反向运动。该发明实现外骨骼和人体的实时随动，具有良好的协调性、同步性，但其没有相应的预测算法，无法预测穿戴者的下一个动作，无法解决机械外骨骼干扰穿戴者的行走行为的问题。

发明内容