[发明专利]使用气囊传感器的下肢外骨骼机器人控制方法

摘要

本发明公开了一种用于下肢外骨骼机器人的控制方法。该控制方法在包含传统下肢外骨骼人体意图检测传感器的基础上加入了气囊压力传感器，通过测量人体大腿压迫气囊产生的信号来反应人体同外骨骼作用力，从而反馈人体运动意图，并以此校正外骨骼控制算法的偏差；使用气囊传感器同时可以为体提供柔性的人机接口，缓冲人体与外骨骼机器人作用力；同时，通过采集穿戴外骨骼人体运动曲线和气囊传感器力曲线，可以较好的评估下肢外骨骼机器人的助力效果。

主权项

一种使用气囊传感器的下肢外骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述下肢外骨骼包括：分别设置在外骨骼膝关节和踝关节处的增量式编码器，用于采集计算关节运动角度和角加速度；位于外骨额机器人足底的薄膜压力传感器，用于采集人足底与地面接触力；分布于人体大小腿肌肉前后的气囊压力传感器，用于测量人与外骨骼机器人之间接触力；连接于人体手臂上的姿态传感器，用于测量人体手臂摆动角度和角速度；所述控制方法包括如下步骤：步骤一：初始化系统，通过输入设备明确当前外骨骼需要完成动作模式，动作模式包括站起、连续行走或停止；步骤二：当前运动模式为站起和停止时，微控制器剔除姿态传感器、足底力传感器信号，提取存储器中预存的健康人体站起或停止时的关节理想轨迹，通过采集当前关节角度跟踪理想轨迹；当前运动模式为连续行走时，微控制器采集足底力信息，通过足底脚掌和脚跟与地面接触力数值大小，来判断足部状态，足部状态包括着地、全足支撑、离地或悬空，从而将下肢运动分成摆动相和支撑相；通过支撑相或摆动相重新设置基于肌肉力的模糊控制器、基于关节动力学模型模糊控制的模糊控制规则；步骤三：将大腿前后的气囊压力传感器采集的人体与外骨骼之间的作用力输入至模糊控制器，评估人体意图并通过基于肌肉力模型来计算出符合人体意图的力矩Tp；将增量式编码器采集到的关节角度和角加速度通过基于关节动力学模型的模糊控制器计算出当前运动状态关节所需力矩Tm；将姿态传感器采集的上肢姿态信息，通过预先使用健康样本标定的人体上下肢运动状态转换矩阵，计算当前人体下肢理想运动状态，和当前下肢运动状态的偏差通过PID控制器进一步计算力矩Ts；由关节运动速度方向计算减速器力矩补偿Tf*sgn(θ)；步骤四：通过计算公式：T＝Tp+Tm+Tf*sgn(θ)+Ts计算最终关节所需要力矩T，输出到电机驱动器，完成助力控制。