[发明专利]用于控制机器人步态的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于穿着者的行走速度和该穿着者的预期步态来控制可穿戴式机器人的步态的方法和系统。

背景技术

本发明涉及一种用于减少可穿戴式行走机器人的负载的步态控制算法。当穿着机器人的穿着者行走时，如果该机器人没有正确地反映穿着者的预期步态，则穿着者将感觉到来自该机器人的负载，并且当该穿着者行走时，该负载将表现为不稳定。

为了克服上述问题，本发明提供一种确定穿着者预期行走的速度的控制算法，并提供一种与摆动脚的预期运动相对应的假想反作用力，从而减小由机器人产生的负载。

现有的可穿戴式机器人主要利用力/力矩传感器来确定穿着者的预期步态。然而，这种方法要求实施解决当穿着者行走时由传感器的抖振现象和噪音产生所引起的问题的措施。此外，传感器是非常昂贵的，并且需要额外的放大器电路和信号处理板。

因此，根据本发明的实施例，可以最大限度地减少对传感器的使用。例如，可以在机器人的每只脚的脚底上设置一个比较便宜的接通/关断开关，以确定该穿着者的预期步态。

在题为“可穿戴式机器人的脚传感器设备及用于使用相同设备确定用户意图的方法”(Foot sensor apparatus for wearable robot and method for determining intension of user using the same)的韩国专利注册号10-1179159B1中提出一种常规技术的代表性示例。该常规设备包括第一传感器，其设置在可穿戴式机器人的每只脚的上表面上、穿着者的脚的脚趾放置的位置上；第二传感器，其设置在机器人的每只脚的上表面上、穿着者的脚的跖球放置的位置上；第三传感器，其设置在机器人的每只脚的上表面上、穿着者的脚的脚跟的位置上；以及控制器，其基于来自第一传感器、第二传感器和第三传感器的信号确定穿着者的预期步态。

当负载被应用于第一传感器、第二传感器和第三传感器时，相应的传感器接通；而当没有负载应用于其中时，传感器关断。当第一传感器、第二传感器和第三传感器每个都被关断时，该控制器确定穿着者的那只脚是在空中。当第一传感器接通而第二传感器和第三传感器每个都被关断时，该控制器确定该脚处于跖曲(plantar-flexion)状态。当第一传感器和第二传感器每个都关断而第三传感器接通时，该控制器确定该脚处于脚跟着地状态。当第一、第二和第三传感器都接通时，控制器确定穿着者的整只脚都与机器人的那只脚接触，并且穿着者站立在地面上。

然而，在利用上述常规方法时，难以精确地确定穿着者的预期步态并且积极地、可变地控制该机器人。此外，传感器的数量比较大，因此增加生产成本。

应理解的是，提供上述说明仅仅是为了帮助理解本发明，而并不意味着本发明落在相关技术的范围内。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种基于穿着者的行走速度和预期步态来控制可穿戴式机器人的步态的方法和系统。

为了实现上述目的，根据一个方面，本发明提供一种用于控制机器人步态的方法，包括以下步骤：确定机器人是否正在行走，并且如果确定正在行走，则确定机器人行走的方向；测量机器人的一只脚的脚底踩在地面上的时间量；利用三角函数计算施加到脚底的假想反作用力，其中三角函数将所测量的脚底踩在地面上的时间量作为周期；以及将所计算的假想反作用力应用于雅可比转置矩阵，并将假想反作用力转换成用于机器人的下肢关节的驱动力矩。

转换步骤可包括检查机器人那只脚的脚底是否已经离开地面。

检查步骤可以包括当机器人的脚的脚底离开地面时，将驱动力矩施加到与所述脚底相关联的下肢关节。

确定步骤可以包括利用设置在机器人的脚的脚底上的表面接触传感器确定机器人是否正在行走，并且所述测量步骤包括利用表面接触传感器，测量机器人的所述脚的脚底踩在地面上的时间量。

计算步骤可以包括将三角函数乘以预设的大小值来计算假想反作用力。

计算步骤可以包括根据机器人行走的方向，改变假想反作用力的x轴分量的符号。

根据另一方面，本发明提供一种用于控制机器人步态的系统，包括：表面接触传感器，设置在机器人的一只脚的脚底上；和控制单元，利用表面接触传感器测量机器人的行走状态和方向、以及脚底踩在地面上所需的时间量，该控制单元利用三角函数计算施加到脚底的假想反作用力，其中所述三角函数将所测量的脚底踩在地面上的时间量作为周期，并且该控制单元将所计算的假想反作用力应用于雅可比转置矩阵，以便将假想反作用力转换成用于驱动机器人的下肢关节的力矩。