具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)及控制方法，它涉及一種外骨骼機器人系統(tǒng)及控制方法，以解決現(xiàn)有的外骨骼助力機器人往往針對平地行走這一典型步態(tài)，適用性差，以及不能正確判斷人體運動意圖的需求，不能使外骨骼機器人和人體之間保持運動的協(xié)調(diào)，復雜路面難以實現(xiàn)良好的助力效果的問題，它包括上體背部、左腿和右腿，左腿和右腿分別包括髖部驅(qū)動系統(tǒng)、大腿驅(qū)動系統(tǒng)和小腿穿戴系統(tǒng)；上體背部包括背部支架；上體背部還包括肩帶，每個大腿驅(qū)動系統(tǒng)還包括大腿捆綁帶，每個小腿穿戴系統(tǒng)還包括腳部捆綁帶、上膠墊、下膠墊、腳后跟板，所述外骨骼機器人系統(tǒng)還包括傳感檢測控制系統(tǒng)。本發(fā)明用于助力行走和人體運動姿態(tài)的檢測控制。
【專利說明】具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)及控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種外骨骼機器人系統(tǒng)及控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 負重外骨骼能夠幫助人體承受負載并增強承受大負載的耐久力，在軍用和民用方 面均有廣闊的市場前景。能夠幫助士兵背負武器裝備長途行軍或作戰(zhàn)，還可以輔助穿戴 者在山地等復雜環(huán)境背負或運送貨物，以及提高重體力勞動者的日常作業(yè)能力。對于身 體健康的穿戴者，外骨骼必須能夠快速準確的判斷出人體的運動意圖，進而進行跟隨，才 能在不增加人機干涉力的前提下，實現(xiàn)良好的助力效果。人體的運動具有多樣性、隨機性 的特點。傳統(tǒng)的外骨骼助力機器人往往針對平地行走這一典型步態(tài)，基于腳底壓力信息 或大小腿捆綁檢測，來判斷人體的運動意圖，控制方法的實用性和實時性較差。如申請?zhí)?201310686549. 6的中國發(fā)明專利申請?zhí)岢鲆环N便攜儲能式外骨骼助力機器人，該機器人雖 然能提供動力協(xié)助人的行走，增強人的行走能力和速度，提高了人體的負重能力，緩解了疲 勞，但是不能正確判斷人體運動意圖的需求，不能使外骨骼機器人和人體之間保持運動的 協(xié)調(diào)，且在坎坷崎嶇的復雜路面難以實現(xiàn)良好的助力效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明是為解決現(xiàn)有的外骨骼助力機器人往往針對平地行走這一典型步態(tài)，適用 性差，以及不能正確判斷人體運動意圖的需求，不能使外骨骼機器人和人體之間保持運動 的協(xié)調(diào)，復雜路面難以實現(xiàn)良好的助力效果的問題，進而提供一種具有人體運動檢測功能 的外骨骼機器人系統(tǒng)及控制方法。
[0004] 本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：
[0005] 本發(fā)明的具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)包括上體背部、左腿和右 腿，左腿和右腿分別包括上體背部、左腿和右腿，左腿和右腿分別包括髖部驅(qū)動系統(tǒng)、大腿 驅(qū)動系統(tǒng)和小腿穿戴系統(tǒng)；上體背部包括背部支架；每個大腿驅(qū)動系統(tǒng)包括膝關(guān)節(jié)齒輪箱 體；每個小腿穿戴系統(tǒng)包括鞋底；
[0006] 上體背部還包括肩帶，每個大腿驅(qū)動系統(tǒng)還包括大腿捆綁帶，每個小腿穿戴系統(tǒng) 還包括腳部捆綁帶、上膠墊、下膠墊、腳后跟板，所述外骨骼機器人系統(tǒng)還包括傳感檢測控 制系統(tǒng)；
[0007] 所述傳感檢測控制系統(tǒng)包括工控計算機、后背薄膜壓力傳感器、兩個腳后跟薄膜 壓力傳感器、兩個接觸力傳感裝置、兩個肩帶拉力傳感裝置和三個腳底薄膜壓力傳感器；
[0008] 每個接觸力傳感裝置包括本體、兩個立板和四個應變片，本體呈[形，本體的相對 的兩個側(cè)臂上各安裝有一個立板，且本體與兩個立板一體制成，本體的相對的每個側(cè)臂和 立板之間布置有與本體連接的兩個應變片，四個應變片構(gòu)成一個全橋電路，本體的主臂外 側(cè)面連接有大腿捆綁帶，兩個立板插裝在膝關(guān)節(jié)齒輪箱體上；
[0009] 肩帶的上部橫向安裝有兩個肩帶拉力傳感裝置，每個肩帶拉力傳感裝置包括兩個 連接件、兩個插裝件和兩個薄膜壓力傳感器，兩個連接件之間布置有兩個插裝件，兩個插裝 件插裝在一起，兩個插裝件之間的一個插裝件上安裝有兩個薄膜壓力傳感器，其中一個插 裝件與其遠離的連接件連接，剩余一個插裝件與另一個連接件連接，其中一個連接件與肩 帶連接，剩余一個連接件與背部支架連接；
[0010] 背部支架的背面上安裝有后背薄膜壓力傳感器，每個腳部捆綁帶連接在相對應的 鞋底上，每個鞋底的后端安裝有腳后跟板，腳后跟板內(nèi)嵌裝有兩個腳后跟薄膜壓力傳感器， 兩個腳后跟薄膜壓力傳感器構(gòu)成半橋電路，鞋底的上表面固接有下膠墊，下膠墊上的前腳 掌段、腳中段和腳后跟段分別布置有腳底薄膜壓力傳感器，上膠墊覆蓋在三個腳底薄膜壓 力傳感器上；
[0011] 工控計算機安裝有外圍擴展電路，包括I/O數(shù)據(jù)采集卡和CAN卡，工控計算機實現(xiàn) 傳感檢測系統(tǒng)的多種傳感信息采集和關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的通信及控制。
[0012] 本發(fā)明的具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)的控制方法是按照以下步 驟進行的：
[0013] 步驟一、單腿支撐和單腿擺動的控制，設(shè)F1為支撐腿對后背的作用力，F(xiàn)2為接觸 力檢測裝置檢測的擺動腿的作用力，F(xiàn)3為腳后跟薄膜壓力傳感器對小腿的作用力，F(xiàn)4為擺 動腿的腳底支撐力，F(xiàn)5為接觸力檢測裝置檢測的支撐腿的作用力，。為肩帶的捆綁作用后 背薄膜壓力傳感器產(chǎn)生的初始預緊力，控制支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ zk使F5回歸零；
[0014] 步驟二、控制支撐腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ zhl使F1回歸Fi_。，保證人機后背平行；支撐腿膝 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角ezk實時疊加到支撐腿髖關(guān)節(jié)上，支撐腿髖關(guān)節(jié)最終轉(zhuǎn)角為e zh= θζω+θζ1?;
[0015] 步驟三、控制擺動腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角0bhl使F2歸零，支撐腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角0zh實時疊加 到擺動腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角e bh上，擺動腿髖關(guān)節(jié)最終轉(zhuǎn)角為ebh= 0zh+ebhl;
[0016] 步驟四、控制擺動腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角ebk使F3歸零。
[0017] 本發(fā)明的具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)的控制方法是按照以下步 驟進行的：
[0018] 步驟一、雙腿支撐的控制，根據(jù)兩個腳底薄膜壓力傳感器的測力值F4和F7的大 小，以較大值的一側(cè)為主支撐腿，較小值的一側(cè)為副支撐腿，設(shè)F1為副支撐腿對后背的作 用力，F(xiàn)5為接觸力檢測裝置檢測的副支撐腿的作用力，。為肩帶的捆綁作用后背薄膜壓力 傳感器產(chǎn)生的初始預緊力；
[0019] 步驟二、控制主支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ zzk使F2回歸零；
[0020] 步驟三、控制主支撐腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ zzhl使F1回歸。，保證人機后背平行；主 支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θζζ1?實時疊加到主支撐腿髖關(guān)節(jié)上，主支撐腿髖關(guān)節(jié)最終為0 zzh = 9 zzhl+ 9 zzk ?
[0021] 步驟四、控制副支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ fzk使F5歸零；
[0022] 步驟五、副支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角efzk和主支撐腿髖關(guān)節(jié)最終轉(zhuǎn)角0zzh均需疊加到 副支撐腿髖關(guān)節(jié)上，因此，控制副支撐腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為9 fzh= 0fzk+0zzh;
[0023] 步驟六、當人體彎腰時，后背的檢測值F1小于Fi_。，此時，以肩帶拉力傳感裝置的 拉力檢測值h ian替代F1，以拉力值Fmu替代Fi_。，其它重復步驟二至步驟五。
[0024] 本發(fā)明的具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)的控制方法是：雙腿騰空擺 動的控制，F(xiàn)2為接觸力檢測裝置檢測的左擺動腿的作用力，F(xiàn)3為腳后跟薄膜壓力傳感器對 左小腿的作用力，F(xiàn)5為接觸力檢測裝置檢測的右擺動腿的作用力，F(xiàn)6腳后跟薄膜壓力傳感 器對左小腿的作用力，分別檢測大腿捆綁帶的一維力F2和F5,控制髖關(guān)節(jié)電機轉(zhuǎn)動使F2和 F5歸零，分別檢測腳后跟的一維力F3和F6,控制膝關(guān)節(jié)電機轉(zhuǎn)動使F3和F6歸零。
[0025] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于一款現(xiàn)有的外骨骼助力機器人，在全面分析了 人體行走步態(tài)的基礎(chǔ)上，針對復雜運動環(huán)境下的負重外骨骼助力機器人的人體運動意圖， 包括對人體運動形態(tài)的多樣性和行走路面的復雜性，在負重外骨骼機器人上設(shè)計安裝了必 要的傳感檢測系統(tǒng)，包括后背，大腿，以及腳部的人機交互力信息。通過合理的選擇多種傳 感器類型，例如薄膜壓力檢測，一維力檢測，腳底壓力分布檢測，以及自行設(shè)計的與外骨骼 零部件相連的接觸力傳感裝置，最終使所有檢測的信息滿足了能夠正確判斷人體運動意圖 的需求，通過準確的判斷人體的運動意圖，為外骨骼機器人的控制提供了基礎(chǔ)。
[0026] 本發(fā)明的控制方法是基于人機之間的最小干涉力為目標，將傳感檢測系統(tǒng)和人體 運動意圖智能辨識方法相結(jié)合，制定出了相應于每一種運動形態(tài)的外骨骼機器人控制策 略，能夠?qū)Χ喾N運動姿態(tài)，包括單腳著地（分為擺動腿和支撐腿）、雙腳著地，以及雙腳騰空 等姿態(tài)進行準確的判斷，并且制定合理的控制目標，使外骨骼機器人能夠與人體的運動始 終協(xié)調(diào)，最終實現(xiàn)外骨骼對人體運動的實時性跟隨，從而保證了人體穿戴的舒適性，最終使 外骨骼和人體之間保持運動的協(xié)調(diào)，提高了外骨骼助力機器人對人體運動多樣性和復雜路 面的適應能力，實現(xiàn)良好的助力效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1是本發(fā)明的一種外骨骼機器人系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是后背薄膜壓力 傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是肩帶拉力傳感裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是圖3的爆炸示意 圖，圖5是大腿捆綁帶與接觸力傳感裝置連接結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是接觸力傳感裝置立體結(jié)構(gòu) 示意圖，圖7是圖6的俯視圖，圖8是小腿穿戴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖9是上膠墊、腳底薄膜 壓力傳感器85和下膠墊的布置結(jié)構(gòu)示意圖，圖10是腳后跟板的結(jié)構(gòu)示意圖，圖11是腳后 跟薄膜壓力傳感器布置在腳后跟板上的俯視示意圖，圖12是左腿擺動右腿支撐的左腿力 傳感控制示意圖，圖13是左腿擺動右腿支撐的右腿力傳感控制示意圖，圖14是雙腿支撐的 力傳感控制示意圖，圖15是雙腿騰空的力傳感控制結(jié)構(gòu)示意圖，圖16是本發(fā)明的具有人體 運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)的控制示意圖。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0028] 一：結(jié)合圖1-圖11和圖16說明，本實施方式的具有人體運動檢測 功能的外骨骼機器人系統(tǒng)包括上體背部A、左腿和右腿，左腿和右腿分別包括髖部驅(qū)動系統(tǒng) B、大腿驅(qū)動系統(tǒng)C和小腿穿戴系統(tǒng)D ;上體背部A包括背部支架3 ;每個大腿驅(qū)動系統(tǒng)C包 括膝關(guān)節(jié)齒輪箱體38 ;每個小腿穿戴系統(tǒng)D包括鞋底72 ;
[0029] 上體背部A還包括肩帶81，每個大腿驅(qū)動系統(tǒng)C還包括大腿捆綁帶89,每個小腿 穿戴系統(tǒng)D還包括腳部捆綁帶84、上膠墊83、下膠墊87、腳后跟板91，所述外骨骼機器人系 統(tǒng)還包括傳感檢測控制系統(tǒng)；
[0030] 所述傳感檢測控制系統(tǒng)包括工控計算機、后背薄膜壓力傳感器88、兩個腳后跟薄 膜壓力傳感器90、兩個接觸力傳感裝置82、兩個肩帶拉力傳感裝置86和三個腳底薄膜壓力 傳感器85 ;
[0031] 每個接觸力傳感裝置82包括本體82-1、兩個立板82-2和四個應變片82-3,本體 82-1呈[形，本體82-1的相對的兩個側(cè)臂上各安裝有一個立板82-2,且本體82-1與兩個 立板82-2 -體制成，本體82-1的相對的每個側(cè)臂和立板82-2之間布置有與本體82-1連 接的兩個應變片82-3,四個應變片82-3構(gòu)成一個全橋電路，本體82-1的主臂外側(cè)面連接有 大腿捆綁帶89,兩個立板82-2插裝在膝關(guān)節(jié)齒輪箱體38上；
[0032] 肩帶81的上部橫向安裝有兩個肩帶拉力傳感裝置86,每個肩帶拉力傳感裝置86 包括兩個連接件86-1、兩個插裝件86-2和兩個薄膜壓力傳感器98,兩個連接件86-1之間 布置有兩個插裝件86-2,兩個插裝件86-2插裝在一起，兩個插裝件86-2之間的一個插裝 件86-2上安裝有兩個薄膜壓力傳感器98,其中一個插裝件86-2與其遠離的連接件86-1連 接，剩余一個插裝件86-2與另一個連接件86-1連接，其中一個連接件86-1與肩帶81連接， 剩余一個連接件86-1與背部支架3連接；
[0033] 背部支架3的背面上安裝有后背薄膜壓力傳感器88,每個腳部捆綁帶84連接在相 對應的鞋底72上，每個鞋底72的后端安裝有腳后跟板91，腳后跟板91內(nèi)嵌裝有兩個腳后 跟薄膜壓力傳感器90,兩個腳后跟薄膜壓力傳感器90構(gòu)成半橋電路，鞋底72的上表面固接 有下膠墊87,下膠墊87上的前腳掌段、腳中段和腳后跟段分別布置有腳底薄膜壓力傳感器 85,上膠墊83覆蓋在三個腳底薄膜壓力傳感器85上；
[0034] 工控計算機安裝有外圍擴展電路，包括I/O數(shù)據(jù)采集卡和CAN卡，工控計算機實現(xiàn) 傳感檢測系統(tǒng)的多種傳感信息采集和關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的通信及控制。
[0035] 本實施方式的工控計算機可采用PC104工控計算機，本實施方式的三段式布置的 腳底薄膜壓力傳感器用以判斷左腿和右腿是處于支撐腿或者擺動腿，同時可以檢測支撐腿 的地面支撐力大??；腳后跟薄膜壓力傳感器的側(cè)力值可用于辨識人體小腿的運動方向；接 觸力傳感裝置得測力值可用于辨識人體大腿的運動方向；肩帶拉力傳感裝置的測力值可用 于檢測背部肩帶的拉力。
[0036] 圖12-圖15分別對應單腿擺動相、單腿支撐相、雙腿支撐相、雙腿擺動相。一般正 常的平地行走中，12%的步態(tài)周期為雙腿支撐，其他時間均為單腿支撐。隨著步速的加快， 雙腿支撐的時間逐漸減少，在快速行走中幾乎沒有雙腿支撐。在跑步過程中，還會出現(xiàn)雙腳 騰空現(xiàn)象，此時相當于雙腿均處于擺動相。
[0037] 結(jié)合圖16所示，本實施方式的后背薄膜壓力傳感器88實現(xiàn)后背壓力檢測；兩個肩 帶拉力傳感裝置86用于肩帶拉力檢測；每個接觸力傳感裝置82相當于大腿捆綁一維力傳 感器。關(guān)節(jié)電機、編碼器和伺服驅(qū)動器均為現(xiàn)有的外骨骼助力機器人的現(xiàn)有設(shè)備。

【具體實施方式】 [0038] 二：結(jié)合圖11說明，本實施方式所述的兩個腳后跟薄膜壓力傳感器 90為應變片式薄膜壓力傳感器。如此設(shè)置，結(jié)構(gòu)簡單，使用便捷，滿足實際需要。其它與具 體實施方式一相同。

【具體實施方式】 [0039] 三：結(jié)合圖9說明，本實施方式所述的上膠墊83和下膠墊87的厚度 均為2_。如此設(shè)置，下膠墊和上膠墊對腳底薄膜壓力傳感器起保護和緩沖作用，尺寸適中， 便于使用。其它與一或二相同。
[0040]

【具體實施方式】四：結(jié)合圖4說明，本實施方式所述每個肩帶拉力傳感裝置86還包 括兩個過渡板93,連接件86-1和插裝件86-2之間夾裝有過渡板93。如此設(shè)置，通過增設(shè) 過渡板，便于穩(wěn)定夾緊兩個薄膜壓力傳感器。

【具體實施方式】 [0041] 五、結(jié)合圖1-圖13和圖16說明，一或二任意一個具 體實施方式的具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)的控制方法是按照以下步驟進 行的：
[0042] 步驟一、單腿支撐和單腿擺動的控制，設(shè)F1為支撐腿對后背的作用力，F(xiàn)2為接觸 力檢測裝置檢測的擺動腿的作用力，F(xiàn)3為腳后跟薄膜壓力傳感器對小腿的作用力，F(xiàn)4為擺 動腿的腳底支撐力，F(xiàn)5為接觸力檢測裝置檢測的支撐腿的作用力，。為肩帶的捆綁作用后 背薄膜壓力傳感器產(chǎn)生的初始預緊力，控制支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ zk使F5回歸零；
[0043] 步驟二、控制支撐腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ zhl使F1回歸。，保證人機后背平行；支撐腿膝 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角ezk實時疊加到支撐腿髖關(guān)節(jié)上，支撐腿髖關(guān)節(jié)最終轉(zhuǎn)角為e zh= θζω+θζ1?;
[0044] 步驟三、控制擺動腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角ebhl使F2歸零，支撐腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角0zh實時疊加 到擺動腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角9 bh上，擺動腿髖關(guān)節(jié)最終轉(zhuǎn)角為ebh= 0zh+0bhl;
[0045] 步驟四、控制擺動腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角0bk使F3歸零。
[0046] 本實施方式左腿為擺動相時，左腳底的薄膜壓力傳感器的測力F4幾乎為零。

【具體實施方式】 [0047] 六、結(jié)合圖1-圖11、圖14和圖16說明，一或二任意一 個的具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)的控制方法是按照以下步 驟進行的：
[0048] 步驟一、雙腿支撐的控制，根據(jù)兩個腳底薄膜壓力傳感器的測力值F4和F7的大 小，以較大值的一側(cè)為主支撐腿，較小值的一側(cè)為副支撐腿，設(shè)F1為副支撐腿對后背的作 用力，F(xiàn)5為接觸力檢測裝置檢測的副支撐腿的作用力，。為肩帶的捆綁作用后背薄膜壓力 傳感器產(chǎn)生的初始預緊力；
[0049] 步驟二、控制主支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ zzk使F2回歸零；
[0050] 步驟三、控制主支撐腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ zzhl使F1回歸。，保證人機后背平行；主 支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θζζ1?實時疊加到主支撐腿髖關(guān)節(jié)上，主支撐腿髖關(guān)節(jié)最終為0 zzh = 9 zzhl+ 9 zzk ?
[0051] 步驟四、控制副支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角9@使&歸零；
[0052] 步驟五、副支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角0fzk和主支撐腿髖關(guān)節(jié)最終轉(zhuǎn)角0zzh均需疊加到 副支撐腿髖關(guān)節(jié)上，因此，控制副支撐腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為e fzh= 0fzk+ezzh;
[0053] 步驟六、當人體彎腰時，后背的檢測值F1小于。，此時，以肩帶拉力傳感裝置的 拉力檢測值h ian替代F1，以拉力值Fmu替代。，其它重復步驟二至步驟五。
[0054] 本實施方式左腿可為主支撐腿，右腿可為副支撐腿或右腿可為主支撐腿，左腿可 為副支撐腿。

【具體實施方式】 [0055] 七、結(jié)合圖1-圖11和圖15-圖16說明，一或二任意 一個的具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)的控制方法是按照以下 步驟進行的：
[0056] 雙腿騰空擺動的控制，F(xiàn)2為接觸力檢測裝置檢測的左擺動腿的作用力，F(xiàn)3為腳后 跟薄膜壓力傳感器對左小腿的作用力，F(xiàn)5為接觸力檢測裝置檢測的右擺動腿的作用力，F(xiàn)6 腳后跟薄膜壓力傳感器對左小腿的作用力，分別檢測大腿捆綁帶的一維力F2和F5,控制髖 關(guān)節(jié)電機轉(zhuǎn)動使F2和F5歸零，分別檢測腳后跟的一維力F3和F6,控制膝關(guān)節(jié)電機轉(zhuǎn)動使 F3和F6歸零。
[0057] 本實施方式的后背薄膜傳感器檢測值F1的初始值不為零，這是由于肩帶的捆綁 作用，產(chǎn)生了初始預緊力Fg的影響。
【權(quán)利要求】
1. 具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)，它包括上體背部（A)、左腿和右腿，左 腿和右腿分別包括髖部驅(qū)動系統(tǒng)（B)、大腿驅(qū)動系統(tǒng)（C)和小腿穿戴系統(tǒng)（D);上體背部 (A)包括背部支架（3);每個大腿驅(qū)動系統(tǒng)（C)包括膝關(guān)節(jié)齒輪箱體（38);每個小腿穿戴系 統(tǒng)⑶包括鞋底（72); 其特征在于：上體背部（A)還包括肩帶（81)，每個大腿驅(qū)動系統(tǒng)（C)還包括大腿捆綁 帶（89)，每個小腿穿戴系統(tǒng)（D)還包括腳部捆綁帶（84)、上膠墊（83)、下膠墊（87)、腳后跟 板（91)，所述外骨骼機器人系統(tǒng)還包括傳感檢測控制系統(tǒng)； 所述傳感檢測控制系統(tǒng)包括工控計算機、后背薄膜壓力傳感器（88)、兩個腳后跟薄膜 壓力傳感器（90)、兩個接觸力傳感裝置（82)、兩個肩帶拉力傳感裝置（86)和三個腳底薄膜 壓力傳感器（85); 每個接觸力傳感裝置（82)包括本體（82-1)、兩個立板（82-2)和四個應變片（82-3)， 本體（82-1)呈[形，本體（82-1)的相對的兩個側(cè)臂上各安裝有一個立板（82-2)，且本體 (82-1)與兩個立板（82-2) -體制成，本體（82-1)的相對的每個側(cè)臂和立板（82-2)之間布 置有與本體（82-1)連接的兩個應變片（82-3)，四個應變片（82-3)構(gòu)成一個全橋電路，本 體（82-1)的主臂外側(cè)面連接有大腿捆綁帶（89)，兩個立板（82-2)插裝在膝關(guān)節(jié)齒輪箱體 (38)上； 肩帶（81)的上部橫向安裝有兩個肩帶拉力傳感裝置（86)，每個肩帶拉力傳感裝置 (86)包括兩個連接件（86-1)、兩個插裝件（86-2)和兩個薄膜壓力傳感器（98)，兩個連接件 (86-1)之間布置有兩個插裝件（86-2)，兩個插裝件（86-2)插裝在一起，兩個插裝件（86-2) 之間的一個插裝件（86-2)上安裝有兩個薄膜壓力傳感器（98)，其中一個插裝件（86-2)與 其遠離的連接件（86-1)連接，剩余一個插裝件（86-2)與另一個連接件（86-1)連接，其中 一個連接件（86-1)與肩帶（81)連接，剩余一個連接件（86-1)與背部支架（3)連接； 背部支架（3)的背面上安裝有后背薄膜壓力傳感器（88)，每個腳部捆綁帶（84)連接在 相對應的鞋底（72)上，每個鞋底（72)的后端安裝有腳后跟板（91)，腳后跟板（91)內(nèi)嵌裝 有兩個腳后跟薄膜壓力傳感器（90)，兩個腳后跟薄膜壓力傳感器（90)構(gòu)成半橋電路，鞋底 (72)的上表面固接有下膠墊（87)，下膠墊（87)上的前腳掌段、腳中段和腳后跟段分別布置 有腳底薄膜壓力傳感器（85)，上膠墊（83)覆蓋在三個腳底薄膜壓力傳感器（85)上； 工控計算機安裝有外圍擴展電路，包括I/O數(shù)據(jù)采集卡和CAN卡，工控計算機實現(xiàn)傳感 檢測系統(tǒng)的多種傳感信息采集和關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的通信及控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)，其特征在于： 所述的兩個腳后跟薄膜壓力傳感器90為應變片式薄膜壓力傳感器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)，其特征在 于：所述的上膠墊（83)和下膠墊（87)的厚度均為2mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有人體運動檢測功能的外骨骼機器人系統(tǒng)，其特征在于： 每個肩帶拉力傳感裝置（86)還包括兩個過渡板（93)，連接件（86-1)和插裝件（86-2)之間 夾裝有過渡板（93)。
5. -種根據(jù)權(quán)利要求1、2或4任意一項權(quán)利要求所述的具有人體運動檢測功能的外骨 骼機器人系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：它包括以下步驟： 步驟一、單腿支撐和單腿擺動的控制，設(shè)F1為支撐腿對后背的作用力，F(xiàn)2為接觸力檢 測裝置檢測的擺動腿的作用力，F(xiàn)3為腳后跟薄膜壓力傳感器對小腿的作用力，F(xiàn)4為擺動腿 的腳底支撐力，F(xiàn)5為接觸力檢測裝置檢測的支撐腿的作用力，。為肩帶的捆綁作用后背薄 膜壓力傳感器產(chǎn)生的初始預緊力，控制支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ zk使F5回歸零； 步驟二、控制支撐腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ zhl使F1回歸。，保證人機后背平行；支撐腿膝關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)角θζ1?實時疊加到支撐腿髖關(guān)節(jié)上，支撐腿髖關(guān)節(jié)最終轉(zhuǎn)角為0zh= θζω+θζ1?; 步驟三、控制擺動腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ bhl使F2歸零，支撐腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ zh實時疊加到擺 動腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ bh上，擺動腿髖關(guān)節(jié)最終轉(zhuǎn)角為Θ bh = Θ zh+ Θ bhl ; 步驟四、控制擺動腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ bk使F3歸零。
6. -種根據(jù)權(quán)利要求1、2或4任意一項權(quán)利要求所述的具有人體運動檢測功能的外骨 骼機器人系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：它包括以下步驟： 步驟一、雙腿支撐的控制，根據(jù)兩個腳底薄膜壓力傳感器的測力值F4和F7的大小，以 較大值的一側(cè)為主支撐腿，較小值的一側(cè)為副支撐腿，設(shè)F1為副支撐腿對后背的作用力， F5為接觸力檢測裝置檢測的副支撐腿的作用力，。為肩帶的捆綁作用后背薄膜壓力傳感 器產(chǎn)生的初始預緊力； 步驟二、控制主支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ zzk使F2回歸零； 步驟三、控制主支撐腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ zzhl使F1回歸。，保證人機后背平行；主支 撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θζζ1?實時疊加到主支撐腿髖關(guān)節(jié)上，主支撐腿髖關(guān)節(jié)最終為0zzh = 9 zzhl+ 9 zzk ? 步驟四、控制副支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角Θ fzk使F5歸零； 步驟五、副支撐腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角0fzk和主支撐腿髖關(guān)節(jié)最終轉(zhuǎn)角0zzh均需疊加到副支 撐腿髖關(guān)節(jié)上，因此，控制副支撐腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為efzh= 0fzk+ezzh; 步驟六、當人體彎腰時，后背的檢測值F1小于Fi_。，此時，以肩帶拉力傳感裝置的拉力 檢測值F"an替代F1，以拉力值Fx替代Fi_。，其它重復步驟二至步驟五。
7. -種根據(jù)權(quán)利要求1、2或4任意一項權(quán)利要求所述的具有人體運動檢測功能的外骨 骼機器人系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：它包括以下步驟： 雙腿騰空擺動的控制，F(xiàn)2為接觸力檢測裝置檢測的左擺動腿的作用力，F(xiàn)3為腳后跟薄 膜壓力傳感器對左小腿的作用力，F(xiàn)5為接觸力檢測裝置檢測的右擺動腿的作用力，F(xiàn)6腳后 跟薄膜壓力傳感器對左小腿的作用力，分別檢測大腿捆綁帶的一維力F2和F5,控制髖關(guān)節(jié) 電機轉(zhuǎn)動使F2和F5歸零，分別檢測腳后跟的一維力F3和F6,控制膝關(guān)節(jié)電機轉(zhuǎn)動使F3和 F6歸零。
【文檔編號】A61H3/00GK104188675SQ201410491075
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】朱延河, 趙杰, 張超 申請人:哈爾濱工業(yè)大學