[发明专利]基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法

权利要求书

1.基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，

所述穿戴式助行外骨骼的控制和驱动系统包括上位机、主控制器和关节，关节包括髋关节和膝关节；

所述髋关节和膝关节所用的驱动系统分别包括传动系统、电机和驱动器；

上位机实现多种信息的采集及与主控制器的通讯；

其特征在于：所述下肢关节运动控制方法为：

力矩补偿：外骨骼处于力矩控制模式，各关节的电机驱动各自关节输出一定的力矩，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，健康人带动外骨骼运动；

惯性力矩由如下计算得到：

式中，I_i为惯性力需要补偿的力矩，v为电机当前时刻的速度，v₀为电机前一时刻的速度，v_max为驱动器返回的最大速度，k_i为需要标定的惯性力矩比例系数；

重力力矩由如下计算得到：

I_g＝-k_g×mgl|sinθ|

式中，I_g为重力需要补偿的力矩，m为大腿的质量，θ为髋关节当前时刻的角度，l为大腿质心到髋关节转轴的距离，k_g为需要标定的重力力矩比例系数；

信息采集：通过外骨骼的驱动器采集健康人在进行站起、坐下、行走、上下楼梯典型动作时的各关节运动数据，将数据处理后，便获得各典型动作的关节运动数据参考；

控制模式转换：设计基于状态机的外骨骼位置控制方法，将获得的各典型动作的关节运动数据参考导入到状态机中，将外骨骼设置为位置控制模式，储存在程序中的关节的运动角度位置数据，通过计算转化为电机脉冲信号，通过CAN通讯发送给电机的驱动器来控制电机运动，进而完成外骨骼机器人带动下肢关节相应动作。

2.根据权利要求1所述基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，所述穿戴式助行外骨骼的控制和驱动系统包括上位机、主控制器和关节，关节包括髋关节和膝关节；

所述髋关节和膝关节所用的驱动系统分别包括传动系统、电机和驱动器；

上位机实现多种信息的采集及与主控制器的通讯；

其特征在于：所述下肢关节运动控制方法为：

力矩补偿：外骨骼健侧肢处于力矩控制模式，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，外骨骼由偏瘫患者的健康侧下肢穿戴并运动；

信息采集：采集患者健康侧下肢的关节运动数据，将数据处理后，获得行走过程中患者健康侧下肢的关节运动数据参考；

控制模式切换：外骨骼的患侧下肢处于位置控制模式，将获得的健康侧下肢关节运动数据参考同步地导入到位置控制模式中；储存在程序中的关节的运动角度位置数据，通过计算转化为电机脉冲信号，通过CAN通讯发送给电机的驱动器来控制电机运动，进而完成外骨骼机器人带动下肢关节相应动作。

3.根据权利要求1或2所述基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，其特征在于：力矩补偿是指建立外骨骼机器人的动力学模型，并且在运动时实时监测其关节位置、速度、加速度等数据，当健康人穿上外骨骼后开始行走等动作时，就会带动外骨骼关节运动，进而带动相应的电机转动，驱动器通过CAN通讯将各个电机的位置、速度、电流等数据发送给主控制器，主控制器根据这些数据计算出相应的关节摩擦力矩和惯性力矩的大小，并发送给驱动器，驱动器通过调节电机电流的大小来控制电机的输出转矩，从而控制相应的关节给人体提供动力来抵消外骨骼机器人产生的摩擦力和惯性力。

4.根据权利要求3所述基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，其特征在于：所述主控制器为DSP处理器或stm32单片机。