[发明专利]下肢机器人速度控制系统与方法

权利要求书

1.一种下肢机器人速度控制系统，其特征在于，包括：

激光多普勒传感器模块：固定在下肢机器人上，向地面发射激光，通过采集地面的散射光得到运动过程中产生的多普勒信号；

信号处理模块：测算多普勒信号中的特征频率，进而测定运动过程中的速度；

速度调节模块：根据测得的数据实时调节下肢机器人下一次运动的速度；

结构件：所述激光多普勒传感器模块、信号处理模块以及速度调节模块通过结构件固定在下肢机器人上；

所述激光多普勒传感器模块包括电源(1)、光学元件以及外壳(2)，所述光学元件包括激光光源(3)、透射光栅(4)、光阑(5)、会聚透镜(6)、反射镜(7)以及滤波片(8)，所述激光光源(3)与电源(1)连接；

所述外壳(2)分成两个空间，第一空间布置所述光学元件，所述光学元件以双光束型光路进行排布，所述第二空间放置电源(1)；

所述信号处理模块包括光电探测器(9)和数据处理模块，所述数据处理模块包括数字示波器(10)、计算机(11)以及数据处理程序；

所述光电探测器(9)布置在外壳(2)的第一空间中，采集地面的散射光信号，并与所述数据处理模块中的数字示波器(10)相连，进行A/D转换，所述计算机(11)与数字示波器(10)相连，读取A/D转换后的二进制数字信号，所述数据处理程序对数字信号进行处理；

所述数据处理程序包含以下步骤：

步骤S1：建立多普勒频移模型，采集多普勒传感器信号；

步骤S2：对采集到的信号进行快速傅里叶变换、带通滤波；

步骤S3：用高斯函数对频谱中的特征频率进行拟合，取拟合后的均值作为多普勒频移的测定值；

当患者在平整路面上训练时，所述多普勒频移模型为：

其中，f_D1和f_D2是两个激光多普勒传感器所测得的多普勒频移，v_x是训练时的速度，且传感器测定的速度v_t≈v_x，θ是入射到地面上的激光束与传感器外壳(2)的夹角，λ是激光束的波长；

当患者在不平整路面上训练时，所述的多普勒频移模型为：

v_x为下肢机器人在水平方向上的速度分量，v_y为下肢机器人在竖直方向上的速度分量，Δθ为外壳(2)与水平方向的倾角；根据在步行过程中v_y＜＜v_x，对倾角变化进行简化：

下肢机器人的运动速度为：

2.根据权利要求1所述的下肢机器人速度控制系统，其特征在于：所述速度调节模块包括驱动器(12)、腰带(13)以及伺服电机(14)；

所述驱动器(12)的输入端与数据处理模块相连，输出端与所述伺服电机(14)相连，所述腰带(13)用于放置所述驱动器(12)，所述腰带(13)用于固定速度调节模块。

3.根据权利要求2所述的下肢机器人速度控制系统，其特征在于：所述驱动器(12)对运动速度的控制步骤包括：

步骤S1：设定一个适合患者的步行速度V，作为训练过程中需要保持的速度；

步骤S2：将患者训练过程中传感器检测的速度v_t与V进行比较，生成下肢机器人的速度变化量；

步骤S3：计算机(11)根据速度变化量计算伺服电机(14)的控制量，并将控制量传给驱动器(12)，所述伺服电机(14)根据驱动器(12)的指令动作。

4.根据权利要求1所述的下肢机器人速度控制系统，其特征在于：所述结构件包括内六角沉头螺钉、挠性管、万向轮(15)以及支架(16)；

所述内六角沉头螺钉用于固定激光多普勒传感器模块和速度调节模块，所述挠性管用于放置导线，所述万向轮(15)固定在支架(16)上，所述支架(16)用于固定所述数字示波器(10)和计算机(11)。

5.一种下肢机器人速度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A1：通过激光多普勒传感器模块，向地面发射激光，采集地面的散射光得到运动过程中产生的多普勒信号；

步骤A2：测算多普勒信号中的特征频率，进而测定运动过程中的速度；

步骤A3：根据测得的数据实时调节下肢机器人下一次运动的速度。