[发明专利]一种外骨骼机器人的人体步态感知系统

说明书

本发明公开了一种外骨骼机器人的人体步态感知系统，包括左腿传感系统和右腿传感系统；所述左腿传感系统和右腿传感系统通信连接的数据处理主板；所述数据处理主板通信连接到外骨骼控制器和上位机；所述左腿传感系统和右腿传感系统均包括大腿姿态传感器、小腿姿态传感器和脚掌姿态传感器。本发明的外骨骼机器人的人体步态感知系统，通过姿态传感器采集人体下肢的姿态数据;以 微控器为计算单元，对采集的步态数据解算、预测和传输;用非线性时间序列分析Takens 算法预测人体下肢关键部位的旋转运动；该系统功能稳定，能准确对人体下肢的步态数据采集和预测，预测结果稳定可靠，为外骨骼控制器提供可靠的参考信息。

技术领域

本发明涉及一种外骨骼机器人组件，具体涉及一种外骨骼机器人的人体步态感知系统，属于外骨骼机器人技术领域。

背景技术

下肢助力外骨骼机器人是一种并联在人体下肢外部，对穿戴者进行行走助力的机器人，随着老龄化的加剧，下肢助力外骨骼机器人是近年来研究的热点；目前，下肢助力外骨骼机器人多采用刚性连杆组成的刚性框架机构系统，借助大腿、小腿处的绑缚装置与穿戴者下肢耦合在一起；当穿戴者进行行走运动时，刚性杆并联在人体下肢外部运动，增加了人体下肢的运动阻抗，改变了穿戴者的运动自然频率，造成运动干扰；此外，人体各关节的运动是由肌肉骨骼系统共同作用下沿着复杂关节骨曲面形成的空间三维运动，而刚性下肢外骨骼的各关节运动轴很难与穿戴者的运动轴相匹配，导致行走运动中外骨骼机械腿与人腿存在很大的未对准误差，这种误差影响了穿戴者的穿戴舒适性，严重时还会造成穿戴者下肢疼痛及运动损伤；尽管通过构型优化可实现下肢外骨骼机构的轻量化设计，但下肢外骨骼的刚性连杆机构对穿戴者自然行走步态的运动干扰仍不能忽视；为了实现下肢助力外骨骼在行走运动中能对穿戴者有效助力，并且对穿戴者自然运动影响较小，需要下肢助力外骨骼系统具有重量轻、人机贴合性好的特点，同时下肢助力外骨骼的驱动机制应像人体肌肉一样具有较低的机械输出阻抗及能适应较大控制带宽的特点；现有技术还未解决这些问题；中国专利申请号：201510850693.8，公开了一种柔性外骨骼机器人,包括：穿戴于人体下肢上的下肢柔性绑缚装置，驱动下肢柔性绑缚装置运动的仿生驱动装置，连接于驱动装置与下肢柔性绑缚装置之间的传动装置，其采用柔性材料做成的轻型、易穿戴的下肢柔性绑缚装置，使用仿生驱动方式驱动下肢柔性绑缚装置辅助人体行走；而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；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，现有技术中，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。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种外骨骼机器人的人体步态感知系统，通过姿态传感器采集人体下肢的姿态数据；以 微控器为计算单元，对采集的步态数据解算、预测和传输；用非线性时间序列分析Takens 算法预测人体下肢关键部位的旋转运动；该系统功能稳定，能准确对人体下肢的步态数据采集和预测，预测结果稳定可靠，为外骨骼控制器提供可靠的参考信息。

本发明的外骨骼机器人的人体步态感知系统，包括左腿传感系统和右腿传感系统；所述左腿传感系统和右腿传感系统通信连接的数据处理主板；所述数据处理主板通信连接到外骨骼控制器和上位机；所述左腿传感系统和右腿传感系统均包括大腿姿态传感器、小腿姿态传感器和脚掌姿态传感器。

作为优选的实施方案，所述大腿姿态传感器、小腿姿态传感器和脚掌姿态传感器分别安装于外骨骼机器人其大腿、小腿和脚掌上。

作为优选的实施方案，所述左腿传感系统和右腿传感系统通过RS-232匹配电路连接到数据处理主板。

作为优选的实施方案，所述数据处理主板包括与左腿传感系统和右腿传感系统通信的电平转换模块，及与电平转换模块通信的微控器，及与微控器通信的无线模块。