[发明专利]一种基于IMU和视频流的下肢外骨骼控制装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于IMU和视频流的下肢外骨骼控制装置及方法，所述控制装置包括IMU(1)、髋关节伺服电机(2)、膝关节伺服电机(4)、中央处理器(5)、嵌入式控制器(6)、电源模块(7)和摄像头(8)，所述IMU(1)置于装置的四个关节环处，所述髋关节伺服电机(2)和膝关节伺服电机(4)均置于装置等轴侧壁上，所述中央处理器(5)、嵌入式控制器(6)以及电源模块(7)均置于装置背面面板上，所述摄像头(8)独立于装置外且正对装置侧轴。本发明提出的外骨骼控制方法识别准确，预测精度高，可为使用者提供实时的、高强度的辅助力矩，可以帮助使用者恢复肌肉功能，以达到康复训练的目的。

技术领域

本发明属于外骨骼机器人领域，特别是涉及一种基于IMU和视频流的下肢外骨骼控制装置及方法。

背景技术

外骨骼机器人在军事、医疗和工业领域都有着广阔的应用前景，在医疗康复领域，康复外骨骼可以帮助患有脊髓脊柱损伤、脑卒中损伤和脑外伤等疾病的患者进行康复训练，帮助他们恢复运动能力。对于康复外骨骼来说，获取人体准确的步态信息并将其转换为外骨骼的控制信号是一项非常重要的技术，目前的研究主要通过表面肌电仪、足底压力传感器以及红外传感器等传感器来获取人体运动信息，但以上方式获取人体运动状态的方法存在的误差较大，并不能准确识别人体的步态信息，这就会导致步态控制方案不够精准，达不到理想的人机交互效果，除此之外，目前的研究在执行助力的时候还对使用者相应的肌肉施加了电刺激，导致实现起来难度较大，同时可能会对使用者造成伤害，这就导致外骨骼控制算法精准度差、鲁棒性降低，进而使康复外骨骼无法为患者提供精准的康复训练。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明的一种基于IMU和视频流的下肢外骨骼控制装置及方法能够准确获取人体的步态信息，同时，本发明采用非侵入性手段获取运动数据，能够避免对人体造成伤害和降低使用难度，进而为使用者提供精准的康复训练。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于IMU和视频流的下肢外骨骼控制装置包括IMU、髋关节伺服电机、膝关节伺服电机、中央处理器、嵌入式控制器、电源模块和摄像头，所述IMU置于装置的四个关节环处，所述髋关节伺服电机和膝关节伺服电机均置于装置等轴侧壁上，所述中央处理器、嵌入式控制器以及电源模块均置于装置背面面板上，所述摄像头独立于装置外且正对装置侧轴，所述中央处理器分别与IMU、摄像头和嵌入式控制器通信连接，所述嵌入式控制器同时与髋关节伺服电机和膝关节伺服电机通信连接，所述电源模块分别与IMU、髋关节伺服电机、膝关节伺服电机和中央处理器、嵌入式控制器和摄像头电连接。

上述方案的有益效果是：通过上述技术方案，能够实时、精确获取患者的运动信息，实现良好的人机交互，为使用者提供精准的辅助力矩以完成康复训练。

进一步地，髋关节伺服电机连接上方的两个髋关节环，膝关节伺服电机连接下方的两个膝关节环。

上述进一步方案的有益效果是：上述技术方案中，髋关节伺服电机控制髋关节环，对使用者的髋关节实行训练，而膝关节伺服电机控制膝关节环，对使用者的膝关节实行训练。

进一步地，IMU置于关节环外侧，关节环由金属和柔性绑带连接而成。

上述进一步方案的有益效果是：上述技术方案中关节环由金属和柔性绑带构成，可以为使用者提供良好的支撑与绑缚，使外骨骼更好的贴合人体保证了施加辅助力矩的准确性。

进一步地，髋关节环和膝关节环均置于装置竖轴内侧，髋关节伺服电机和膝关节伺服电机置于装置竖轴外侧，且置于两竖轴内侧的髋关节环、膝关节环和脚踏板均位于同一竖直平面。

上述进一步方案的有益效果是：上述技术方案能够保证使用者穿戴外骨骼运动时的柔顺性，且不会因为外骨骼的结构妨碍运动，装置的结构设计也为使用者提供更好的体验。

进一步地，控制装置还包括高度调节装置，所述控制装置中的两竖轴利用高度调节装置可自由调节高度。