下肢机器人及利用该机器人进行主动运动的控制方法技术

本发明专利技术涉及一种下肢机器人和利用该机器人进行主动运动的控制方法。其中，该下肢机器人用于与使用者配合使用，且包括机械腿、传感系统和控制系统。其中，传感系统用于采集使用者和机械腿各关节之间的力矩信号和关节绝对角度信号，并将力矩信号和关节绝对角度信号发送至控制系统。控制系统用于通过力矩信号和关节绝对角度信号估计出使用者下肢生理学步态轨迹信号，并根据生理学步态轨迹信号驱动机械腿。本发明专利技术利用传感系统采集到力矩信号和关节绝对角度信号，由控制系统对其进行估计，得出使用者下肢生理学步态轨迹信号，并根据生理学步态轨迹信号来驱动机械腿的关节的运动，实现了促使使用者主动进行运动的优点，并提高了使用者的运动效果。

【技术实现步骤摘要】
下肢机器人及利用该机器人进行主动运动的控制方法
本专利技术涉及工控
，具体而言，涉及一种下肢机器人及利用该机器人进行主动运动的控制方法。
技术介绍
目前，国内很多研究机构已相继研究了各种类型的康复机器人，康复机器人可以模拟人类运动，可以帮助使用者解决生活困难，提高生活质量。但大多数机器人仍然只能进行简单的被动动作。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种下肢机器人，以实现促使使用者主动进行运动，并提高使用者的运动效果。此外，为此，还提供一种利用该机器人进行主动运动的控制方法。为了实现上述目的，一方面，提供了以下技术方案：一种下肢机器人，其用于与使用者配合使用，且包括：机械腿；传感系统，用于采集使用者和机械腿各关节之间的力矩信号和关节绝对角度信号，并将力矩信号和关节绝对角度信号发送至控制系统；控制系统，用于通过力矩信号和关节绝对角度信号估计出使用者下肢生理学步态轨迹信号，并根据生理学步态轨迹信号驱动机械腿。优选地，控制系统具体包括：上位机，用于根据经过模数转换后的关节角度信号和人机交互力矩信号，生成与生理学步态轨迹相关的第一运动控制指令和第二运动控制指令；左腿驱动控制器，与上位机通信连接，用于接收第一编码器产生的下肢各关节的第一角度信号，还用于接收上位机发送来的第一运动控制指令，并根据第一角度信号和第一运动控制指令来驱动左腿髋关节电机和左腿膝关节电机，以驱动左腿；右腿驱动控制器，与上位机通信连接，用于接收第二编码器产生的下肢各关节的第二角度信号，还用于接收上位机发送来的第二运动控制指令，并根据第二角度信号和第二运动控制指令来驱动右腿髋关节电机和右腿膝关节电机，以驱动右腿；左腿髋关节电机，与左腿驱动控制器相连；左腿膝关节电机，与左腿驱动控制器相连；第一光电编码器，设置在左腿髋关节电机和左腿膝关节电机的轴端，并与左腿驱动控制器相连，生成左腿髋关节电机的第一位置信号和左腿膝关节电机的第二位置信号，并将第一和第二位置信号分别反馈至左腿驱动控制器；右腿髋关节电机，与右腿驱动控制器相连；右腿膝关节电机，与右腿驱动控制器相连；第二光电编码器，设置在右腿髋关节电机和右腿膝关节电机的轴端，并与右腿驱动控制器相连，生成右腿髋关节电机的第三位置信号和右腿膝关节电机的第四位置信号，并将第三和第四位置信号分别反馈至右腿驱动控制器；采集卡，与关节绝对角度传感器和关节力矩传感器及上位机相连，用于对关节角度信号和人机交互力矩信号进行模数转换后输入到上位机；传感系统具体包括：关节绝对角度传感器，与采集卡相连，用于采集关节角度信号；关节力矩传感器，与采集卡相连，用于采集人机交互力矩信号。优选地，传感器系统对力矩信号和关节绝对角度信号进行放大并进行模数转换之后发送至控制系统。优选地，左、右腿驱动控制器分别通过EtherCAT工业总线与上位机通信连接；采集卡通过PCI总线与上位机通信连接。优选地，下肢机器人还包括：跑步台控制器和跑步台驱动电机及跑步台；跑步台控制器通过SCI串行总线与上位机通信连接；跑步台驱动电机通过SCI串行总线与上位机通信连接，以驱动跑步台。优选地，下肢机器人还包括：人机交互系统，与控制系统相连，用于接收使用者输入的指令，并进行运动监控和数据管理。为了实现上述目的，另一方面，还提供了一种利用上述机器人进行主动运动的控制方法，该方法包括：获取使用者与机械腿之间的力矩信号；利用指数移动平均法对力矩信号进行估计；结合估计得到的力矩，根据位置式阻抗控制方法，计算使用者下肢各关节的期望运动的关节角度；根据期望运动的关节角度，通过最优化的方法计算得到生理学步态轨迹信号，并根据生理学步态轨迹信号控制机器人进行主动运动。优选地，利用指数移动平均法对力矩信号进行估计具体包括：根据以下公式对力矩信号进行估计：其中，α表示遗忘因子；表示估计的力矩；i表示过去一段时间内的某一时间序列点标号；n取正整数；τi(t)表示时间序列中第i次采集到的力矩信号。优选地，结合估计得到的力矩，根据位置式阻抗控制方法，计算使用者下肢各关节的期望运动的关节角度，具体包括：根据下式确定期望运动的关节角度：其中，Δq表示角度变化量；K、B、M分别表示阻抗系数；s表示拉普拉斯变换算子；表示所估计的力矩；q0(t)表示当前运动的关节角度；qd(t)表示期望运动的关节角度。优选地，阻抗系数通过以下方式来确定：基于估计的力矩及其差分，利用模糊算法，采用五级三角形隶属度函数，来确定阻抗系数。优选地，基于估计的力矩及其差分，利用模糊算法，采用五级三角形隶属度函数，来确定阻抗系数，具体包括：计算估计的力矩及其差分的隶属度函数；对隶属度函数进行推理，得到推理结果；对推理结果进行综合；采用重心法对综合结果进行解模糊；根据解模糊的结果以及阻抗系数的最大值和最小值限定值，计算阻抗系数。优选地，根据期望运动的关节角度，通过最优化的方法计算得到生理学步态轨迹信号，具体包括：根据下式确定生理学步态轨迹信号：qn(t)＝a·q0(t)+b；其中，qn(t)表示生理学步态轨迹；q0(t)表示当前轨迹；a表示调整步态轨迹幅值的调整参数；b表示调整步态轨迹偏移的调整参数；J(a,b)表示评价函数；qd(k)表示在一个步态周期内某个时间节点的期望关节角度；qn(k,a,b)表示按照某一组a、b取值得到的最终关节角度。优选地，调整参数采用梯度下降法，并通过最小化评价函数来予以确定。优选地，调整参数采用梯度下降法，并通过最小化评价函数来予以确定具体包括：根据下式对调整参数的值进行迭代，且使调整参数的值沿着评价函数梯度下降速率最快的方向迭代，并将使得评价函数取最小值时所对应的调整参数值确定为最终的调整参数：优选地，根据生理学步态轨迹信号控制机器人进行主动运动具体包括：将生理学步态轨迹信号发送至左、右腿驱动控制器；左、右腿驱动控制器根据生理学步态轨迹信号，驱动左腿髋关节电机、左腿膝关节电机、右腿髋关节电机及右腿膝关节电机，使机器人关节运动到期望角度。本专利技术实施例提供一种下肢机器人和利用该机器人进行主动运动的控制方法。其中，该下肢机器人用于与使用者配合使用，且包括机械腿、传感系统和控制系统。其中，传感系统用于采集使用者和机械腿各关节之间的力矩信号和关节绝对角度信号，并将力矩信号和关节绝对角度信号发送至控制系统。控制系统用于通过力矩信号和关节绝对角度信号估计出使用者下肢生理学步态轨迹信号，并根据生理学步态轨迹信号驱动机械腿。本专利技术利用传感系统采集到力矩信号和关节绝对角度信号，由控制系统对其进行估计，得出使用者下肢生理学步态轨迹信号，并根据生理学步态轨迹信号来驱动机械腿的关节的运动，实现了促使使用者主动进行运动的优点，并提高了使用者的运动效果。附图说明图1是根据本专利技术实施例的下肢机器人的结构示意图；图2是根据本专利技术实施例的另一下肢机器人的结构示意图；图3是根据本专利技术实施例的利用下肢机器人进行主动运动的控制方法的流程示意图；图4是根据本专利技术实施例的隶属度函数的示意图。具体实施方式下面参照附图来描述本专利技术的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本专利技术的技术原理，并非旨在限制本专利技术的保护范围。图1示例性地示出了下肢机器人的结构示意图。其中，该机器人10用于与使用者本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种下肢机器人，其用于与使用者配合使用，且包括机械腿；其特征在于，还包括：传感系统，用于采集所述使用者和所述机械腿各关节之间的力矩信号和关节绝对角度信号，并将所述力矩信号和所述关节绝对角度信号发送至控制系统；所述控制系统，用于通过所述力矩信号和所述关节绝对角度信号估计出所述使用者下肢生理学步态轨迹信号，并根据所述生理学步态轨迹信号驱动所述机械腿。

【技术特征摘要】
1.一种下肢机器人，其用于与使用者配合使用，且包括机械腿；其特征在于，还包括：传感系统，用于采集所述使用者和所述机械腿各关节之间的力矩信号和关节绝对角度信号，并将所述力矩信号和所述关节绝对角度信号发送至控制系统；所述控制系统，用于通过所述力矩信号和所述关节绝对角度信号估计出所述使用者下肢生理学步态轨迹信号，并根据所述生理学步态轨迹信号驱动所述机械腿。2.根据权利要求1所述的下肢机器人，其特征在于：所述控制系统具体包括：上位机，用于根据经过模数转换后的关节角度信号和人机交互力矩信号，生成与生理学步态轨迹相关的第一运动控制指令和第二运动控制指令；左腿驱动控制器，与所述上位机通信连接，用于接收第一编码器产生的下肢各关节的第一角度信号，还用于接收所述上位机发送来的所述第一运动控制指令，并根据所述第一角度信号和所述第一运动控制指令来驱动左腿髋关节电机和左腿膝关节电机，以驱动左腿；右腿驱动控制器，与所述上位机通信连接，用于接收第二编码器产生的下肢各关节的第二角度信号，还用于接收所述上位机发送来的所述第二运动控制指令，并根据所述第二角度信号和所述第二运动控制指令来驱动右腿髋关节电机和右腿膝关节电机，以驱动右腿；所述左腿髋关节电机，与所述左腿驱动控制器相连；所述左腿膝关节电机，与所述左腿驱动控制器相连；所述第一光电编码器，设置在所述左腿髋关节电机和所述左腿膝关节电机的轴端，并与所述左腿驱动控制器相连，生成所述左腿髋关节电机的第一位置信号和所述左腿膝关节电机的第二位置信号，并将所述第一和第二位置信号分别反馈至所述左腿驱动控制器；所述右腿髋关节电机，与右腿驱动控制器相连；所述右腿膝关节电机，与右腿驱动控制器相连；所述第二光电编码器，设置在所述右腿髋关节电机和所述右腿膝关节电机的轴端，并与所述右腿驱动控制器相连，生成所述右腿髋关节电机的第三位置信号和所述右腿膝关节电机的第四位置信号，并将所述第三和第四位置信号分别反馈至所述右腿驱动控制器；采集卡，与关节绝对角度传感器和关节力矩传感器及所述上位机相连，用于对关节角度信号和人机交互力矩信号进行模数转换后输入到所述上位机；所述传感系统具体包括：所述关节绝对角度传感器，与所述采集卡相连，用于采集所述关节角度信号；所述关节力矩传感器，与所述采集卡相连，用于采集所述人机交互力矩信号。3.根据权利要求1所述的下肢机器人，其特征在于，所述传感器系统对所述力矩信号和所述关节绝对角度信号进行放大并进行模数转换之后发送至控制系统。4.根据权利要求2所述的下肢机器人，其特征在于，所述左、右腿驱动控制器分别通过EtherCAT工业总线与所述上位机通信连接；所述采集卡通过PCI总线与所述上位机通信连接。5.根据权利要求2所述的下肢机器人，其特征在于，所述机器人还包括：跑步台控制器和跑步台驱动电机及跑步台；所述跑步台控制器通过SCI串行总线与所述上位机通信连接；所述跑步台驱动电机通过SCI串行总线与所述上位机通信连接，以驱动所述跑步台。6.根据权利要求1所述的下肢机器人，其特征在于，所述下肢机器人还包括：人机交互系统，与所述控制系统相连，用于接收所述使用者输入的指令，并进行运动监控和数据管理。7.一种利用上述权利要求1-6中任一所述机器人进行主动运动的控制方法，其特征在于，所述方法包括：获取所述使用者与所述机械腿之间的力矩信号；利用指数移动平均法对所述力矩信号进行估计；结合估计得到的力矩，根据位置式阻抗控制方法，计算所述使用者下肢各关节的期望运动的关节角度；根据所述期...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁涛，王晓楠，原魁，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11