[发明专利]一种柔性下肢外骨骼与助行器共融康复助力方法及装置

权利要求书

1.一种柔性下肢外骨骼服与助行器共融康复助力装置，其特征在于，包括：

传感感知模块，包括外骨骼服测力单元、姿态测量单元、助行器肘托测力单元以及速度与里程计量单元，用于分别用于获取套索力信息、下肢位姿信息、肘托力信息、速度与里程信息；

信息处理融合控制模块，包括外骨骼导纳助力控制单元、助行器导纳助行控制单元、防跌倒反馈控制单元；其中，

所述外骨骼导纳助力控制单元用于根据获取的所述获取套索力信息和下肢位姿信息进行使用者人体下肢运动意图判断，并生成与所述使用者人体下肢运动意图判断结果对应的第一操控指令；

所述助行器导纳助行控制单元用于根据获取的所述肘托力信息和速度信息进行助行器方向与速度意图判断，并生成与所述助行器方向与速度意图判断结果对应的第二操控指令；

所述防跌倒反馈控制单元根据用于获取的所述传感感知模块获取的所有感知信息进行防跌倒预测，并生成与所述防跌倒预测判断结果对应的第三操控指令；

驱动模块，包括外骨骼服驱动单元、助行器驱动单元；其中，

所述外骨骼服驱动单元用于根据所述第一操控指令或第三操控指令控制外骨骼服驱动单元做出与所述使用者人体下肢运动意图判断或防跌倒预测判断结果对应的机械运动；

所述助行器驱动单元用于根据所述第二操控指令或第三操控指令控制助行器驱动单元做出与所述助行器方向与速度意图判断以及防跌倒预测判断结果对应的机械运动；

所述助行器肘托测力单元位于助行器中扶手位置处；速度与里程计量单元由电机编码器组成；

所述外骨骼导纳助力控制单元，根据输入关节套索力信息经由理想导纳模型输出为关节参考速度V_adm，比例处理为电机驱动力矩τ_m形成第一操控指令；所述外骨骼服驱动单元输出为外骨骼关节速度V_exo；

所述助行器导纳助行控制单元主体为导纳控制器，模拟一种动态过程，根据输入的肘托力信息得出运动意图作为助行导纳模型的输入，输出线性控制速度与角度控制速度，二者形成第二操控指令；

所述助行导纳模型包含阻尼参数，所述阻尼参数通过利用助行器实际前进方向信息和使用者实际转矩意图方向信息之间的误差来实时改变，从而实时调整助行导纳模型；

所述防跌倒反馈控制单元，采用基于机器人插补运动规划的改进型防跌倒策略，该策略是先通过计算ZMP检测跌倒状态，然后通过防跌倒控制将摆动脚快速移动到期望位置以防止跌倒，通过插补运动规划以及逆运动学求解，输出速度补偿量，形成第三操控指令；

所述防跌倒控制的算法步骤包括：

判断距离质心（COM）的最近脚：，

②根据得出使用者脚部的X与Y轴的速度分量v_x,v_y，其中，COP_L与COP_R分别是左右脚压力中心点，其值可由左右脚的轨迹得出，

③通过比较左右脚地面反作用力分辨摆动脚，

④计算摆动脚落地Z速度：

；其中P_L、P_R是左右脚的位置向量，其值根据脚空间位姿的齐次变换矩阵得出；

如若上述摆动脚不是离质心（COM）最近的脚，则脚的速度取负值，即：v_x＝-v_x,v_y＝-v_y，

v_x,v_y,v_z合成脚部的初速度矢量v_end，从而进行插补运动规划；

所述速度补偿量包括将外骨骼服关节速度V_exo与下肢关节速度V_ad的差值作为外骨骼控制系统补偿速度v_m1、将助行器前向速度V_x与使用者脚部的X轴方向速度分量v_x的差值作为助行器控制系统补偿速度v_m2；

外骨骼服驱动单元根据第三操控指令输出的外骨骼服关节速度V_exo的步骤包括：

将关节参考速度采用比例控制的速度跟踪控制比例处理得到电机驱动力矩τ_m：；其中，由LQ调节器生成，v_m1为由防跌倒反馈控制得出的外骨骼补偿速度，

然后，将电机驱动力矩τ_m输入关节驱动系统，输出外骨骼服关节速度V_exo；

助行器驱动单元基于根据第三操控指令控制助行器前向方向速度Vx和助行器横向方向上的速度Vy的步骤包括：将肘托力信息作为助行器导纳模型的输入后输出的线性控制速度和助行器控制系统补偿速度v_m2的合速度作为线性控制速度，然后将进行合速度处理后的线性控制速度和角度控制速度ω_s一起导入助行器驱动系统，控制结果表现为沿着助行器前向方向速度V_x和助行器横向方向上的速度V_y。

2.根据权利要求1所述的一种柔性下肢外骨骼服与助行器共融康复助力装置，其特征在于，所述外骨骼服驱动单元通过LQ控制器实现轨迹跟踪闭环控制。