[发明专利]一种髋膝一体化智能假肢辅助越障的控制系统和方法

说明书

本发明公开了一种髋膝一体化智能假肢辅助越障的控制系统和方法，涉及康复机器人控制技术领域。本发明设计了适用于髋膝一体化假肢的控制系统，并提出了一种基于障碍物尺寸参数和截肢者运动参数信息感知输入的假肢越障轨迹的模仿学习策略及髋、膝关节的力矩控制方法。使得髋膝一体化假肢具备路况感知、越障意图感知、髋‑膝关节越障轨迹协同规划与控制的能力，实现了髋离断截肢者对障碍物的安全跨越，扩展了髋离断截肢者的日常活动范围。

技术领域

本发明涉及康复机器人控制技术领域，尤其涉及一种髋膝一体化智能假肢辅助越障的控制系统和方法。

背景技术

由于交通事故、意外工伤、关节感染、骨肿瘤和血管疾病并发症，全球每年有数十万人进行下肢截肢。目前统计全球约3600万的下肢截肢者中，髋离断截肢者约占2.2％。髋关节离断截肢者属于高位截肢，下肢单侧腿三个关节的缺失，对其日常活动及心理造成了极大的影响，而佩戴下肢假肢能够有效弥补这些不利影响。

但传统的髋、膝关节假肢多为仿生液压阻尼系统，如奥托博克工业有限公司分别在2007年申请的“具有可调阻尼的被动假膝关节的控制方法”及其在2001年申请的专利“人工下肢髋关节”，这类假肢并不能提供主动动力，因此需要病人消耗将近正常人两倍的体力来完成行走，且传统下肢假肢往往难以胜任复杂路况下的移动任务，因此极大地限制了其步行移动能力。

“被动型液压膝关节假肢的控制方法”、“一种主被动混合式液压膝关节假肢及其控制方法和应用”、“一种主动型髋关节离断假肢控制系统及控制方法”等专利分别提供了下肢独立关节的控制方案，但健康人往往需要髋、膝关节联合控制才能实现诸如上下楼梯、跨越障碍等步态。针对髋关节离断截肢者，目前尚无一款能够实现髋-膝关节联合控制的智能假肢。在越障过程中，目前已有的具备主动驱动能力的髋离断假肢由于缺少环境中障碍物尺寸信息的反馈，无法实现顺应地表凸起情况的自主规划越障轨迹，特别是对于较明显的障碍物，缺少关节主动控制的下肢假肢将难以支持截肢者完成越障任务。越障动作对下肢髋、膝关节协同配合要求较高，由于缺少髋、膝关节的协调配合，髋离断截肢者在复杂路况中移动时更容易出现异常步态，进而导致其消耗更多体能，并增加其跌倒风险，因此限制了髋离断截肢者的日常活动。

综上，如何识别髋关节离断截肢者的越障意图及感知当前路障情况，并实现下肢髋、膝双关节的联合控制是一个亟待解决的问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种髋膝一体化智能假肢辅助越障的控制系统和方法。使得髋膝一体化假肢具备路况感知、越障意图感知、髋-膝关节越障轨迹协同规划与控制的能力，实现了髋离断截肢者对障碍物的安全跨越，扩展了髋离断截肢者的日常活动范围。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是识别髋关节离断截肢者的越障意图及感知当前路障情况，实现下肢髋、膝双关节的联合协同可靠越障。

为实现上述目的，本发明提供了一种髋膝一体化智能假肢辅助越障的控制系统，包括RGBD深度相机、姿态传感器、假肢控制板、假肢髋关节角度编码器、假肢髋关节电机驱动器、假肢髋关节驱动电机、假肢膝关节角度编码器、假肢膝关节电机驱动器、假肢膝关节驱动电机、供电电源；所述RGBD深度相机安装在接受腔正前方位置处，接受腔腰带连接件正前方靠近质心位置处内嵌姿态传感器，角度编码器、电机驱动电路内嵌在电机驱动伺服系统内，分别安装在对应的关节，假肢控制板通过CAN协议与髋、膝关节处的电机伺服系统通讯，通过蓝牙与RGBD深度相机及姿态传感器通讯。

进一步地，所述供电电源输出24V电压至假肢髋、膝关节的两组伺服电机，输出5V电压至假肢控制板、RGBD深度相机和姿态传感器。

本发明还提供了一种髋膝一体化智能假肢辅助越障的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、前进方向上的局部路况感知；

步骤2、截肢者越障意图感知；

步骤3、假肢髋、膝双关节越障轨迹泛化生成；