一种双助力柔性下肢外骨骼系统及控制方法

一种双助力柔性下肢外骨骼系统及控制方法
【技术领域】
1.本发明涉及机器人技术领域，特别是一种双助力柔性下肢外骨骼系统及控制方法。


背景技术：

2.随着科技的快速发展，武器装备在现代战争中的作用越来越大，外骨骼系统是一种穿戴在单兵身体上的伴随式智能装备，通过人机协调同步运动，为单兵的下肢提供步行运动助力，提升其长途行军、快速机动能力。下肢助力外骨骼在军事、养老护理、康复训练、生活服务、工业等领域都有广阔的应用前景。如在军事领域可以增强士兵能力，在工业领域可以用于生产运输等，在康复医疗领域可以用于患者的复健，为下肢功能障碍者的康复治疗提供了新的选择，弥补下肢功能障碍者临床治疗的不足。目前的下肢外骨骼机器人以刚性下肢外骨骼机器人为主，其优势为将士兵所承担的重量，通过刚性外骨骼传递到地面，从而减轻士兵的负担。但是现阶段的刚性外骨骼还存在着穿戴不便、质量大、惯性大、活动不便、携带不便等一系列的问题，极大地限制了其在单兵作战方面的应用。因此需要一种更加轻便灵活的下肢外骨骼来弥补刚性外骨骼存在的缺点和不足之处。
3.在近年来，柔性下肢助力外骨骼系统因其能够克服刚性外骨骼系统的上述瓶颈问题而受到更多青睐。柔性外骨骼是一种采用如鲍登线或拉力带等柔性材料进行助力的外骨骼机器人，柔性外骨骼机器人携带更为方便，不妨碍穿戴者的自由运动，也不影响其动作敏捷性，适用于士兵的日常负荷和作战环境中频繁进行的蹲、爬、匍匐、奔跑等战术动作的特点。
4.传统的柔性下肢外骨骼通常采用单一的助力方式，这种方法虽然也能够很好地为穿戴者提供助力，但单一的助力方式无法助力完整的步态周期，助力效率相对较低。为此，本发明提出了一种髋关节交替屈伸的双助力下肢柔性外骨骼控制方法。在髋关节的屈曲和伸展时都可以进行助力，可以实现达到对完整的步态周期进行助力的效果。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种双助力柔性下肢外骨骼系统及控制方法，它能够克服现有技术的不足，是一种基于髋关节交替屈伸助力的系统及控制方法，利用步态感知的反馈系统，实现了对穿戴者步态信息的实时采集及步态预测及控制，该系统结构简单且方法容易实现。
6.本发明技术方案：一种双助力柔性下肢外骨骼系统，包括后拉驱动单元、电控箱、鲍登线套管、鲍登线支架、鲍登线、腰带、前拉驱动单元、陀螺仪、拉环及拉力传感器、大腿绑缚、拉力带及拉力传感器；所述后拉驱动单元固定于电控箱上方，在髋关节伸展时提供助力；所述鲍登线穿插于鲍登线套管内，鲍登线套管固定安装在鲍登线支架上；所述陀螺仪固定穿戴于穿戴者的膝盖后；所述腰带位于腰部，用于固定鲍登线支架以及前拉驱动单元；所述拉环及拉力传感器及拉力带及拉力传感器均固定在大腿绑缚上。
7.所述拉环及拉力传感器是由拉环和拉力传感器i构成；所述拉环用于连接拉力传感器i和鲍登线；所述拉力带及拉力传感器是由拉力带及拉力传感器ii构成，所述拉力带用于连接拉力传感器ii和前拉驱动单元。
8.所述后拉驱动单元内部安装有电机；所述电控箱中有处理器，能够实现对数据的处理，并根据处理后的数据判断穿戴者当前处于何种步态并通过助力函数计算应产生的助力大小，最终控制后拉驱动单元中的电机转动，拉动鲍登线对穿戴者进行助力。
9.所述前拉驱动单元内的电机是maxon-305014 ec-4pole 30直流无刷电机，其额定功率200w，重量300g，另外配备行星齿轮箱maxon-32663gp32hp以增大输出扭矩，减速比为33∶1。
10.所述陀螺仪是维特智能wt901c数字姿态传感器。
11.所述拉力传感器是i和拉力传感器ii为futek lsb200微s型拉压力传感器，选用量程为0-50lb。
12.一种双助力柔性下肢外骨骼系统控制方法，其特征在于它包括以下步骤：
13.(1)设定初始参数髋关节屈曲最大峰值a
sw
、伸展助力曲线的最大峰值a
st
、控制参数α、β，根据设定的初始参数按照公式(1)和公式(2)初始化助力函数；
[0014][0015][0016]
式中，f
sw
、f
st
为髋关节屈曲、伸展的实时助力大小；t
osw
、t
esw
为摆动相屈曲助力的起始、终止时刻；t
ost
、t
est
为支撑相伸展助力的起始、终止时刻；t1为髋关节屈曲时助力的时刻；t2为髋关节伸展时助力的时刻；
[0017]
所述步骤(1)中的当前时刻t1应满足t
osw
≤t1≤t
esw
；当前时刻t2应满足。
[0018]
t
ost
≤t2≤t
est
[0019]
所述步骤(1)中的支撑相和摆动相是指从穿戴者的一侧足跟着地开始到下一次着地为一个步态周期，其中足部与地面有接触的过程称为支撑相，占整个步态周期的60％，足部悬空的过程称为摆动相，占整个步态周期的40％。
[0020]
(2)利用所述电控箱2中的处理器读取两侧膝盖处陀螺仪8的角速度数据及角加速度数据和w
′k；
[0021]
(3)对步骤(2)得到的数据进行处理，以减小陀螺仪自身零漂累积造成的误差。
[0022]
所述步骤(3)中减小陀螺仪自身零漂造成误差采用的方法为基于均值漂移的零点值更新的方法进行校正，此处以角速度为例，具体方法为：穿戴者保持站立不动的姿势，使得陀螺仪处于零点位置，之后采集上电后2～5秒内的角速度值；将获得的数据进行平均后得到零漂的平均值ω
ms
，之后用零漂的平均值ω
ms
对步骤(2)测得的角速度数据进行偏移补偿处理，如公式(3)所示，则可得到当前采集到的角速度ωk；
[0023][0024]
(4)重复(2)和(3)的步骤，根据步骤(2)和(3)处理后的角速度及角加速度数据绘
制出髋关节角速度和角加速度的曲线，并根据曲线进行步态划分；
[0025]
所述步骤(4)中步态划分指：髋关节角度曲线的波峰和波谷分别对应摆动相和支撑相助力开始的时刻t
osw
、t
ost
，髋关节角加速度曲线的波峰和波谷分别对应摆动相和支撑相助力结束的时刻t
esw
、t
est
。
[0026]
所述摆动相助力时刻选择的是摆动前中期和全摆动相；所述支撑相助力时刻选择的是支撑相前中期和全支撑相。
[0027]
(5)根据步骤(4)的到的速度和角速度曲线，将其进行划分步态后，即可得到时间数据，结合步骤(1)初始化时设定的初始参数，通过辅助力生成函数计算出相应的辅助力，并控制电机产生相应的辅助力，公式(4)和公式(5)分别为前拉电机转速和髋关节屈曲角速度的关系以及后拉电机转速和髋关节屈曲角速度的关系；
[0028][0029][0030]
(6)由于外骨骼辅助力的峰值时刻会因为助力时刻及控制参数α、β的不同而发生改变，进而影响外骨骼辅助力对于髋关节的助力峰值力矩的大小，因此，改变控制参数α、β，可以改善外骨骼的助力效果，通过穿戴者在不同参数下的能量消耗情况来选择出最适合穿戴者的控制参数，能量消耗少则代表参数适合，即：通过改变控制参数α、β，使穿戴者能量消耗最少。
[0031]
本发明的工作原理：髋关节屈伸交替助力柔性下肢外骨骼系统分别在人腿处于支撑相与摆动相时提供助力，控制系统使用力反馈闭环控制，因此一个合理的期望助力波形对整个系统的控制至关重要，双助力柔性下肢外骨骼通过在两侧膝盖处安装的加速度传感器所反馈的角速度和角加速度来感知穿戴者当前的运动状态。将穿戴者行走时的步态周期花划分出摆动相和支撑相，髋关节角度曲线的波峰和波谷分别对应摆动相和支撑相助力开始的时刻t
osw
、t
ost
，髋关节角加速度曲线的波峰和波谷分别对应摆动相和支撑相助力结束的时刻t
esw
、t
est
。并且，外骨骼辅助力的峰值时刻由于助力时机与控制参数α、β发生改变，会影响外骨骼辅助力对于髋关节的助力峰值力矩的大小。
[0032]
本发明优越性：基于髋关节屈伸助力的双助力下肢柔性外骨骼，在结构上设计了前驱、后驱两个驱动单元，通过传感器获取穿戴者当前运动状态，并根据穿戴者的运动状态通过辅助力生成系统计算出当前应该产生的力的大小，最终驱动电机，产生助力。相比于传统的柔性外骨骼，在前拉驱动单元的基础上增加了后拉求佛那个单元，使得外骨骼可以在髋关节屈曲个伸展时都可以进行助力，即：采用双助力的方式进行助力，在穿戴者行走过程中的摆动相和支撑相都进行助力，使得助力效果具有很大的提升。本发明设计的下肢外骨骼机器人重量轻、穿脱携带方便、关节灵活度高、反应迅速、安全舒适性好，步行辅助效果显著。
【附图说明】
[0033]
图1为本发明所涉一种双助力柔性下肢外骨骼系统的整体结构示意图(其中，1为后拉驱动单元，2为电控箱，3为鲍登线套管，4为鲍登线支架，5为鲍登线，6为腰带， 7为前拉驱动单元，8为陀螺仪，9-1为拉环及拉力传感器，9-1a为拉环，9-1b为拉力传感器i，9-2为大腿绑缚，9-3为拉力带及拉力传感器，9-3a为拉力带，9-3b为拉力传感器ii)。
[0034]
图2为本发明所涉一种双助力柔性下肢外骨骼系统控制方法中助力时刻示意图。
[0035]
图3为本发明所涉一种双助力柔性下肢外骨骼系统控制方法中的助力流程示意图。
[0036]
图4为本发明所涉一种双助力柔性下肢外骨骼系统控制方法中辅助力产生的原理示意图。
【具体实施方式】
[0037]
实施例：一种双助力柔性下肢外骨骼系统，图1所示为该系统的结构示意图，包括后拉驱动单元1、电控箱2、鲍登线套管3、鲍登线支架4、鲍登线5、腰带6、前拉驱动单元7、陀螺仪8、拉环及拉力传感器9-1、大腿绑缚9-2、拉力带及拉力传感器9-3；所述后拉驱动单元1固定于电控箱上方，在髋关节伸展时提供助力；所述鲍登线5穿插于鲍登线套管3内，鲍登线套管3固定安装在鲍登线支架4上；所述陀螺仪8固定穿戴于穿戴者的膝盖后；所述腰带6位于腰部，用于固定鲍登线支架4以及前拉驱动单元7；所述拉环及拉力传感器9-1及拉力带及拉力传感器9-3均固定在大腿绑缚9-2上。
[0038]
所述拉环及拉力传感器9-1是由拉环9-1a和拉力传感器i9-1b构成；所述拉环9-1a 用于连接拉力传感器i9-1b和鲍登线5；所述拉力带及拉力传感器9-3是由拉力带9-3a及拉力传感器ii9-3b构成，所述拉力带9-3a用于连接拉力传感器ii9-3b和前拉驱动单元7，如图1所示。
[0039]
所述后拉驱动单元1内部安装有电机；所述电控箱2中有处理器，能够实现对数据的处理，并根据处理后的数据判断穿戴者当前处于何种步态并通过助力函数计算应产生的助力大小，最终控制后拉驱动单元1中的电机转动，拉动鲍登线5对穿戴者进行助力。
[0040]
所述前拉驱动单元7内的电机是maxon-305014 ec-4pole 30直流无刷电机，其额定功率200w，重量300g，另外配备行星齿轮箱maxon-32663gp32hp以增大输出扭矩，减速比为33∶1。
[0041]
所述陀螺仪8是维特智能wt901c数字姿态传感器。
[0042]
所述拉力传感器是9-1b和9-3b为futek lsb200微s型拉压力传感器，选用量程为0-50lb。
[0043]
一种双助力柔性下肢外骨骼系统控制方法，其特征在于它包括以下步骤：
[0044]
(1)设定初始参数髋关节屈曲最大峰值a
sw
、伸展助力曲线的最大峰值a
st
、控制参数α、β，根据设定的初始参数按照公式(1)和公式(2)初始化助力函数；
[0045]
[0046][0047]
式中，f
sw
、f
st
为髋关节屈曲、伸展的实时助力大小；t
osw
、t
esw
为摆动相屈曲助力的起始、终止时刻；t
ost
、t
est
为支撑相伸展助力的起始、终止时刻；t1为髋关节屈曲时助力的时刻；t2为髋关节伸展时助力的时刻；
[0048]
所述步骤(1)中的当前时刻t1应满足t
osw
≤t1≤t
esw
；当前时刻t2应满足t
ost
≤ t2≤t
est
。
[0049]
所述步骤(1)中的支撑相和摆动相是指从穿戴者的一侧足跟着地开始到下一次着地为一个步态周期，其中足部与地面有接触的过程称为支撑相，占整个步态周期的60％，足部悬空的过程称为摆动相，占整个步态周期的40％。
[0050]
(2)利用所述电控箱2中的处理器读取两侧膝盖处陀螺仪8的角速度数据及角加速度数据和w
′k；
[0051]
(3)对步骤(2)得到的数据进行处理，以减小陀螺仪自身零漂累积造成的误差。
[0052]
所述步骤(3)中减小陀螺仪自身零漂造成误差采用的方法为基于均值漂移的零点值更新的方法进行校正，此处以角速度为例，具体方法为：穿戴者保持站立不动的姿势，使得陀螺仪处于零点位置，之后采集上电后2～5秒内的角速度值，本文中采集2秒内的加速度值；将获得的数据进行平均后得到零漂的平均值ω
ms
，之后用零漂的平均值ω
ms
对步骤(2)测得的角速度数据进行偏移补偿处理，如公式(3)所示，则可得到当前采集到的角速度ωk；
[0053][0054]
(4)重复(2)和(3)的步骤，根据步骤(2)和(3)处理后的角速度及角加速度数据绘制出髋关节角速度和角加速度的曲线，并根据曲线进行步态划分；
[0055]
所述步骤(4)中步态划分指：髋关节角度曲线的波峰和波谷分别对应摆动相和支撑相助力开始的时刻t
osw
、t
ost
，髋关节角加速度曲线的波峰和波谷分别对应摆动相和支撑相助力结束的时刻t
esw
、t
est
。
[0056]
所述摆动相助力时刻选择的是摆动前中期和全摆动相；所述支撑相助力时刻选择的是支撑相前中期和全支撑相。
[0057]
(5)根据步骤(4)的到的速度和角速度曲线，将其进行划分步态后，即可得到时间数据，结合步骤(1)初始化时设定的初始参数，通过辅助力生成函数计算出相应的辅助力，并控制电机产生相应的辅助力，公式(4)和公式(5)分别为前拉电机转速和髋关节屈曲角速度的关系以及后拉电机转速和髋关节屈曲角速度的关系，其模型示意如图4所示；
[0058][0059]
[0060]
(6)由于外骨骼辅助力的峰值时刻会因为助力时刻及控制参数α、β的不同而发生改变，进而影响外骨骼辅助力对于髋关节的助力峰值力矩的大小，因此，改变控制参数α、β，可以改善外骨骼的助力效果，通过穿戴者在不同参数下的能量消耗情况来选择出最适合穿戴者的控制参数，能量消耗少则代表参数适合，即：通过改变控制参数α、β，使穿戴者能量消耗最少。
[0061]
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0062]
图1为外骨骼整体结构示意图。外骨骼的结构中包括前拉驱动单元、后拉驱动单元、电控箱、腰带、陀螺仪、拉力传感器以及鲍登线。陀螺仪及拉力传感器测得的数据传输至电控箱内的处理器中进行处理，并且根据处理后的数据进行步态划分，当需要助力髋关节屈曲运动时，前拉驱动单元电机转动带动鲍登线对髋关节屈曲运动进行助力；当需要助力髋关节伸展运动时，后拉单元电机转动，带动鲍登线对髋关节伸展运动进行助力。
[0063]
图2为助力时刻示意图，上面的图通过髋关节角速度判断助力停止时刻，下面的图通过髋关节角度判读助力开始时刻，髋关节角度曲线的波峰和波谷分别对应摆动相和支撑相助力开始的时刻t
osw
、t
ost
，髋关节角速度曲线的波峰和波谷分别对应摆动相和支撑相助力结束的时刻t
esw
、t
est
。
[0064]
图3为助力流程示意图。
[0065]
(1)设定初始参数a
sw
、a
st
、α、β，根据设定的初始参数初始化助力函数生成系统；其中a
sw
、a
st
分别为髋关节屈曲、伸展助力曲线的最大峰值。α、β为控制参数，取值范围为0-1，根据穿戴者状态的不同适当调整α、β的值。
[0066]
(2)读取两侧膝盖处加速度计中的角速度数据；
[0067]
(3)处理加速度计中读取的数据以减小陀螺仪自身零漂累积造成的误差。因此采用基于均值漂移的零点角速度值更新的方法进行校正，从而减小加速度计零漂所带来的影响。
[0068]
(4)根据处理后的数据绘制出髋关节角速度和角加速度的曲线，并根据曲线进行步态划分。髋关节角度曲线的波峰和波谷分别对应摆动相和支撑相助力开始的时刻 t
osw
、t
ost
，髋关节角加速度曲线的波峰和波谷分别对应摆动相和支撑相助力结束的时刻 t
esw
、t
est
。
[0069]
(5)根据对速度和角速度曲线划分步态后得到的时间数据和初始化时设定的初始数据通过辅助力生成函数计算出相应的辅助力，并控制电机产生相应的辅助力。
[0070]
(6)通过在不同的参数下对比外骨骼辅助力对髋关节助力峰值力矩的大小。选择出最适合穿戴者的参数。
[0071]
图4辅助力产生原理示意图
[0072]
o为人头，b为人体髋关节、c为膝关节，d1、d2为膝关节的前后表面，e1、e2为前后拉驱动装置的发力点，f1、f2为前后拉驱动装置的腰部固定点，θ为髋关节屈曲伸展角(大腿在冠状面右侧为正，左侧为负)。ob为人体上肢躯干，bc为大腿，ae1、 ae2分别为前拉驱动单元和后拉驱动单元的支撑架，d1e1、d2e2分别为拉力带和鲍登线。

技术特征：
1.一种双助力柔性下肢外骨骼系统，其特征在于它包括后拉驱动单元、电控箱、鲍登线套管、鲍登线支架、鲍登线、腰带、前拉驱动单元、陀螺仪、拉环及拉力传感器、大腿绑缚、拉力带及拉力传感器；其中，所述后拉驱动单元固定于电控箱上方，在髋关节伸展时提供助力；所述鲍登线穿插于鲍登线套管内，鲍登线套管固定安装在鲍登线支架上；所述陀螺仪固定穿戴于穿戴者的膝盖后；所述腰带位于腰部，用于固定鲍登线支架以及前拉驱动单元；所述拉环及拉力传感器及拉力带及拉力传感器均固定在大腿绑缚上。2.根据权利要求1所述一种双助力柔性下肢外骨骼系统，其特征在于所述拉环及拉力传感器是由拉环和拉力传感器i构成；所述拉环用于连接拉力传感器i和鲍登线；所述拉力带及拉力传感器是由拉力带及拉力传感器ii构成，所述拉力带用于连接拉力传感器ii和前拉驱动单元。3.根据权利要求2所述一种双助力柔性下肢外骨骼系统，其特征在于所述拉力传感器是i和拉力传感器ii为futek lsb200微s型拉压力传感器，选用量程为0-50lb。4.根据权利要求1所述一种双助力柔性下肢外骨骼系统，其特征在于所述后拉驱动单元内部安装有电机；所述电控箱中有处理器，能够实现对数据的处理，并根据处理后的数据判断穿戴者当前处于何种步态并通过助力函数计算应产生的助力大小，最终控制后拉驱动单元中的电机转动，拉动鲍登线对穿戴者进行助力。5.根据权利要求1所述一种双助力柔性下肢外骨骼系统，其特征在于所述前拉驱动单元内部安装有电机，是maxon-305014ec-4pole 30直流无刷电机，其额定功率200w，重量300g，另外配备行星齿轮箱maxon-32663gp32hp以增大输出扭矩，减速比为33∶1。6.根据权利要求1所述一种双助力柔性下肢外骨骼系统，其特征在于所述陀螺仪是维特智能wt901c数字姿态传感器。7.一种双助力柔性下肢外骨骼系统控制方法，其特征在于它包括以下步骤：(1)设定初始参数髋关节屈曲最大峰值a
sw
、伸展助力曲线的最大峰值a
st
、控制参数α、β，根据设定的初始参数按照公式(1)和公式(2)初始化助力函数；根据设定的初始参数按照公式(1)和公式(2)初始化助力函数；式中，f
sw
、f
st
为髋关节屈曲、伸展的实时助力大小；t
osw
、t
esw
为摆动相屈曲助力的起始、终止时刻；t
ost
、t
est
为支撑相伸展助力的起始、终止时刻；t1为髋关节屈曲时助力的时刻；t2为髋关节伸展时助力的时刻；(2)利用所述电控箱2中的处理器读取两侧膝盖处陀螺仪8的角速度数据及角加速度数据和w
′
k
；(3)对步骤(2)得到的数据进行处理，以减小陀螺仪自身零漂累积造成的误差。(4)重复(2)和(3)的步骤，根据步骤(2)和(3)处理后的角速度及角加速度数据绘制出髋关节角速度和角加速度的曲线，并根据曲线进行步态划分；(5)根据步骤(4)的到的速度和角速度曲线，将其进行划分步态后，即可得到时间数据，结合步骤(1)初始化时设定的初始参数，通过辅助力生成函数计算出相应的辅助力，并控制
电机产生相应的辅助力，公式(4)和公式(5)分别为前拉电机转速和髋关节屈曲角速度的关系以及后拉电机转速和髋关节屈曲角速度的关系；的关系；(6)改变控制参数α、β，通过穿戴者的能量消耗情况选择出最适合穿戴者的控制参数，能量消耗少则代表参数适合。8.根据权利要求7所述一种双助力柔性下肢外骨骼系统控制方法，其特征在于所述步骤(1)中的当前时刻t1应满足t
osw
≤t1≤t
esw
；当前时刻t2应满足：t
ost
≤t2≤t
est
所述步骤(1)中的支撑相和摆动相是指从穿戴者的一侧足跟着地开始到下一次着地为一个步态周期，其中足部与地面有接触的过程称为支撑相，占整个步态周期的60％，足部悬空的过程称为摆动相，占整个步态周期的40％。9.根据权利要求7所述一种双助力柔性下肢外骨骼系统控制方法，其特征在于所述步骤(3)中减小陀螺仪自身零漂造成误差采用的方法为基于均值漂移的零点值更新的方法进行校正；将获得的数据进行平均后得到零漂的平均值ω
ms
，之后用零漂的平均值ω
ms
对步骤(2)测得的角速度数据进行偏移补偿处理，如公式(3)所示，则可得到当前采集到的角速度ω
k
；10.根据权利要求7所述一种双助力柔性下肢外骨骼系统控制方法，其特征在于所述步骤(4)中步态划分指：髋关节角度曲线的波峰和波谷分别对应摆动相和支撑相助力开始的时刻t
osw
、t
ost
，髋关节角加速度曲线的波峰和波谷分别对应摆动相和支撑相助力结束的时刻t
esw
、t
est
；所述摆动相助力时刻选择的是摆动前中期和全摆动相；所述支撑相助力时刻选择的是支撑相前中期和全支撑相。

技术总结
一种双助力柔性下肢外骨骼系统，其特征在于它包括后拉驱动单元、电控箱、鲍登线套管、鲍登线支架、鲍登线、腰带、前拉驱动单元、陀螺仪、拉环及拉力传感器、大腿绑缚、拉力带及拉力传感器，通过参数设定、采集、处理、绘制角速度及角加速度曲线、步态划分、产生辅助力、选择最优参数，采用双助力方式，完成对佩戴者下肢行走时的助力，且装置重量轻、穿脱携带方便、关节灵活度高、反应迅速、安全舒适性好，步行辅助效果显著。显著。显著。


技术研发人员：孙磊 鲁润东 郭士杰 靖佳辉 李成辉
受保护的技术使用者：天津理工大学
技术研发日：2022.06.09
技术公布日：2022/11/1