[发明专利]动力下肢外骨骼控制方法、装置和系统

说明书

本申请提出一种动力下肢外骨骼控制方法、装置和系统，其中，系统包括：第一、二电机控制器分别获取左、右膝关节电机发送的左、右膝关节角度和左、右膝关节电机电流信号并发送给主控制单元；第三、四电机控制器分别获取左、右髋关节电机发送的左、右髋关节角度和左、右髋关节电机电流信号并发送给主控制单元；主控制单元根据左、右膝关节角度，左、右膝关节电机电流信号，左、右髋关节角度和左、右髋关节电机电流信号计算外骨骼的脚到地面的距离和地面作用力，并根据外骨骼的脚到地面的距离和地面作用力控制外骨骼执行相应的运动动作。由此，能够减少下肢外骨骼在数据采集方面的代价，减少控制系统的复杂性，提高外骨骼运动的稳定性。

技术领域

本申请涉及外骨骼机器人技术领域，特别涉及一种动力下肢外骨骼控制方法、装置和系统。

背景技术

动力式下肢外骨骼起源于军事领域，用于增强士兵行走和负重能力，后来逐渐转为民用，目的在于辅助截瘫患者重建行走功能、为下肢运动功能减弱的老年人提供行走助力。

外骨骼探索阶段开始于20世纪60年代，南斯拉夫Mihailo Pupin研究所Vukobratovic提出下肢运动系统理论，并设计了动力仿人外骨骼，首次用于截瘫患者。20世纪80年代，动力式外骨骼进入了积累阶段，清华大学张济川等人设计出我国第一款下肢动力外骨骼—下肢高位截瘫患者用电动步行机。21世纪动力式设备迈入快速发展阶段，2001年以色列ReWalk Robotics公司设计的ReWalk和2005年美国Ekso Bionics公司设计的eLEGS目前已经用于临床使用并商业化，可帮助患者在多种环境下活动。

相关技术中，通过传感器采集信息，对于躯干加速度、足底力等信息的采集，需要使用单独的传感器。这些传感器不仅增加了外骨骼的成本，还增加了外骨骼的体积和加工复杂度。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的一个目的在于提出一种动力下肢外骨骼控制系统，能够减少下肢外骨骼在数据采集方面的代价，减少控制系统的复杂性，提高外骨骼运动的稳定性。

本申请提出一种动力下肢外骨骼控制方法。

本申请提出一种动力下肢外骨骼控制装置。

本申请一方面实施例提出了一种动力下肢外骨骼控制系统，包括：左膝关节电机、右膝关节电机、第一电机控制器、第二电机控制器、左髋关节电机、右髋关节电机、第三电机控制器、第四电机控制器和主控制单元；所述第一电机控制器获取所述左膝关节电机发送的左膝关节角度和左膝关节电机电流信号并发送给所述主控制单元；所述第二电机控制器获取所述右膝关节电机发送的右膝关节角度和右膝关节电机电流信号并发送给所述主控制单元；所述第三电机控制器获取所述左髋关节电机发送的左髋关节角度和左髋关节电机电流信号并发送给所述主控制单元；所述第四电机控制器获取所述右髋关节电机发送的右髋关节角度和右髋关节电机电流信号并发送给所述主控制单元；所述主控制单元根据所述左膝关节角度、所述左膝关节电机电流信号、所述右膝关节角度、所述右膝关节电机电流信号、所述左髋关节角度、所述左髋关节电机电流信号、所述右髋关节角度和所述右髋关节电机电流信号计算外骨骼的脚到地面的距离和地面作用力，并根据所述外骨骼的脚到地面的距离和所述地面作用力控制外骨骼执行相应的运动动作。

本申请另一方面实施例提出了一种动力下肢外骨骼控制方法，包括：建立人和外骨骼组成的人机系统的动力学模型；根据所述动力学模型、左膝关节角度、左膝关节电机电流信号、右膝关节角度、右膝关节电机电流信号、左髋关节角度、左髋关节电机电流信号、右髋关节角度和右髋关节电机电流信号计算地面作用力；根据所述左膝关节角度、所述右膝关节角度、所述左髋关节角度、所述右髋关节角度和大、小腿长度计算外骨骼的脚到地面的距离；根据所述地面作用力和所述外骨骼的脚到地面的距离判断外骨骼的脚是否接触地面；根据所述外骨骼的脚是否接触地面，确定下肢的当前状态，根据所述下肢的当前状态控制外骨骼执行相应的运动动作。