一种外骨骼机器人控制系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种外骨骼机器人控制系统及控制方法，以解决现有康复外骨骼机器人通用性差，以及无法正确判断人体运动意图的需求，不能实现人机协同的功能效果。外骨骼机器人控制系统，包括姿态传感器、角度传感器、压力传感器、表面肌电信号传感器、处理器、外骨骼机器人穿戴部件和人机交互模块。本发明专利技术通过建立运动表征数据库，能够通过大量样本准确判断穿戴者的下肢运动意图，从而进行辅助，提高了辅助的实时性和准确性；发明专利技术通过VR头显设备进行三维模拟显示并进行模拟场景显示，给穿戴这提供视觉刺激，提高了穿戴者的主动参与度，利于患部的神经及肌肉恢复。

An exoskeleton robot control system and control method

The invention relates to an exoskeleton robot control system and control method to solve the problem of poor versatility of the existing rehabilitative exoskeleton robots, and the inability to correctly judge the movement intention of the human body, and can not achieve the functional effect of the human-computer coordination. The control system of exoskeleton robot, including attitude sensor, angle sensor, pressure sensor, surface electromyography sensor, processor, exoskeleton robot wearable component and human-computer interaction module. By establishing a motion representation database, the invention can accurately judge the wearer's movement intention of the lower extremities through a large number of samples, thereby assisting and improving the real-time performance and accuracy of the auxiliary. The invention provides a three-dimensional simulation display and a simulated scene display through the VR head display device, which provides visual stimulation to the wearer. The active participation of the wearer is conducive to the recovery of nerve and muscle in the affected part.

【技术实现步骤摘要】
一种外骨骼机器人控制系统及控制方法
本专利技术涉及一种外骨骼机器人控制系统及控制方法，属于外骨骼机器人领域。
技术介绍
外骨骼机器人在日常的生产生活领域得到了广泛的应用，尤其是在康复领域，通过康复外骨骼机器人可实现被动及主动训练，即有效的避免穿戴者因缺乏运动而造成的肌肉萎缩问题，又有效的提高穿戴者的康复效果。但就目前来看，康复外骨骼机器人还存在着一些不及弊端。首先，传统的康复外骨骼机器人往往只是考虑了外骨骼机器人的动作实现，由穿戴者去适应外骨骼机器人的执行动作，缺乏良好的人机交互功能，使得康复效果欠佳。其次，现有的外骨骼机器人，无法准确预期下肢运动意图。因此，需要对外骨骼机器人在人机协同功能及智能控制方面进行加强升级。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种外骨骼机器人控制系统及控制方法，解决现有康复外骨骼机器人无法正确判断人体运动意图的问题，达到实现人机协同的功能效果。本专利技术目的通过如下技术方案予以实现：提供一种外骨骼机器人控制系统，包括姿态传感器、角度传感器、压力传感器、表面肌电信号传感器、处理器和外骨骼机器人穿戴部件；外骨骼机器人穿戴部件穿在穿戴者的腰部、大腿、小腿及足部；髋关节、膝关节和踝关节处设置转轴，大腿机械臂连接在髋关节和膝关节转轴之间，能够在第一电机的驱动下绕髋关节转轴转动，在第二电机的驱动下绕膝关节转轴转动；小腿机械臂连接在膝关节和踝关节转轴之间，能够在第二电机的驱动下绕膝关节转轴转动；足踏板安装在足底，一端与踝关节转轴相连，能够在第三电机的驱动下绕踝关节转轴转动；所述姿态传感器分别设置在穿戴者脚的表面、大腿的侧面、小腿的侧面及骶骨正前方，分别获取穿戴者脚、大腿、小腿及腰部的姿态信息；所述角度传感器分别设置在穿戴者髋关节两侧、膝关节及踝关节侧面，获取穿戴者髋关节两侧、膝关节及踝关节角度信息；所述压力传感器分别设置在穿戴者足底、大腿上表面、小腿上表面，获取穿戴者足底、大腿、小腿处的与外骨骼机器人穿戴部件之间的压力信息；所述表面肌电信号传感器分别设置在穿戴者大腿股直肌和股二头肌、小腿的胫骨前肌、腓肠肌和比目鱼肌上，用于实时获取穿戴者大腿、小腿表面肌电信号；处理器接收所述姿态传感器、角度传感器、压力传感器、表面肌电信号传感器发送的采集信息，进行滤波处理及特征提取，得到穿戴者运动表征参数，将解算得到的运动表征参数与数据库中存储的运动表征参数数据进行匹配，找到该运动表征参数数据对应的运动意图；根据穿戴者的运动意图，确定并输出外骨骼机器人穿戴部件在第一至第三电机的输出力矩。优选的，所述运动意图为髋关节伸展、髋关节屈曲、膝关节伸展、膝关节屈曲、踝关节背屈或踝关节跖屈。优选的，所述数据库的获取方式为：大量试验者穿戴外骨骼机器人穿戴部件后进行相应运动获得训练样本，试验者执行相应的动作，获取对应的表征参数，包括穿戴者脚、大腿、小腿及腰部的姿态信息，穿戴者髋关节两侧、两个膝关节及两个踝关节角度信息，穿戴者两足底、大腿、小腿处的压力信息，穿戴者两大腿、小腿表面肌电信号，获取表征参数与运动意图的对应关系。优选的，还包括主动反馈系统和VR头显设备，处理器将运动意图、姿态传感器和所述角度传感器检测的信息发送给主动反馈系统，主动反馈系统控制VR头显设备使穿戴者实时在虚拟环境看见自身的动作，显示该运动意图适合的场景。优选的，VR头显设备根据姿态传感器和所述角度传感器检测的信息通过三维模型模拟穿戴者的动作，通过运动意图显示该运动意图适合的场景，髋关节伸展和髋关节屈曲伸展适合的场景为行走运动，膝关节伸展和膝关节屈曲伸展适合的场景为跨越障碍；踝关节背屈和踝关节跖屈适合的场景为骑车运动。优选的，还包括主动反馈系统和可穿戴式气囊；在穿戴者的不可知觉部位和可知觉部位均设置可穿戴式气囊，主动反馈系统根据所述压力传感器采集的不可知觉部位的压力值，控制在不可知觉部位和可知觉部位均通过穿戴式气囊施加与压力传感器采集的不可知觉部位的压力值相同的压力。优选的，还包括可穿戴式刺激电极，在穿戴者的不可知觉部位和可知觉部位均设置可穿戴式刺激电极，主动反馈系统控制可穿戴式刺激电极施加与压力传感器采集的不可知觉部位的压力值成正比电刺激。同时提供一种利用所述的外骨骼机器人控制系统进行外骨骼机器人运动控制的方法，包括如下步骤：(1)穿戴者穿戴外骨骼机器人穿戴部件；(2)姿态传感器、角度传感器、压力传感器、表面肌电信号传感器进行信息采集，传输到处理器，处理器进行滤波处理及特征提取，得到穿戴者运动表征参数；(3)处理器将解算得到的运动表征参数与数据库中存储的运动表征参数数据进行匹配，获得该运动表征参数数据对应的运动意图；(4)根据穿戴者的运动意图，确定并输出外骨骼机器人穿戴部件在第一至第三电机的输出力矩。优选的，所述数据库的获取方式为：大量试验者穿戴外骨骼机器人穿戴部件后进行相应运动获得训练样本，试验者执行相应的动作，获取对应的表征参数，包括穿戴者脚、大腿、小腿及腰部的姿态信息，穿戴者髋关节两侧、两个膝关节及两个踝关节角度信息，穿戴者两足底、大腿、小腿处的压力信息，穿戴者两大腿、小腿表面肌电信号，试验者执行该动作的表征参数进行统计，获得执行某一动作，对应的各表征参数的范围。优选的，如果运动意图为髋关节伸展，则控制第一电机输出力矩使得大腿机械臂伸展；如果运动意图为髋关节屈曲，则控制第一电机输出力矩使得大腿机械臂屈曲；如果运动意图为膝关节伸展，则控制第二电机输出力矩使得小腿机械臂伸展；如果运动意图为膝关节屈曲，则控制第二电机输出力矩使得小腿机械臂屈曲；如果运动意图为踝关节背屈，则控制第三电机输出力矩使得足踏板背屈；如果运动意图为踝关节跖屈，则第三电机输出力矩使得足踏板跖屈。优选的，将运动意图、姿态传感器和所述角度传感器检测的信息发送给主动反馈系统，主动反馈系统控制VR头显设备使穿戴者实时在虚拟环境看见自身的动作，显示该运动意图适合的场景。优选的，如果穿戴者为神经损伤，则还可根据穿戴式气囊和可穿戴式刺激电极，配合外骨骼机器人对穿戴者进行触觉刺激。优选的，通过运动意图显示该运动意图适合的场景，髋关节伸展和髋关节屈曲伸展适合的场景为行走运动，膝关节伸展和膝关节屈曲伸展适合的场景为跨越障碍；踝关节背屈和踝关节跖屈适合的场景为骑车运动。优选的，在穿戴者的不可知觉部位和可知觉部位均设置可穿戴式气囊和可穿戴式刺激电极，主动反馈系统根据所述压力传感器采集的不可知觉部位的压力值，控制在不可知觉部位和可知觉部位均通过穿戴式气囊施加与压力传感器采集的不可知觉部位的压力值相同的压力，控制可穿戴式刺激电极施加与压力传感器采集的不可知觉部位的压力值成正比电刺激。优选的，步骤(3)处理器将解算得到的运动表征参数与数据库中存储的运动表征参数数据进行匹配，获得该运动表征参数数据对应的运动意图后，还包括处理器将该运动表征参数和运动意图作为新样本填充到数据库中。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)本专利技术提出了一种外骨骼机器人控制系统及控制方法，通过建立运动表征数据库，能够通过大量样本准确判断穿戴者的下肢运动意图，从而进行辅助，提高了辅助的实时性和准确性；(2)本专利技术通过VR头显设备进行三维模拟显示并进行模拟场景显示，给穿戴这提供视觉刺激，提高了穿戴者的主动参与度，利于患本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种外骨骼机器人控制系统，其特征在于：包括姿态传感器、角度传感器、压力传感器、表面肌电信号传感器、处理器和外骨骼机器人穿戴部件；外骨骼机器人穿戴部件穿在穿戴者的腰部、大腿、小腿及足部；髋关节、膝关节和踝关节处设置转轴(1,2,3)，大腿机械臂(4)连接在髋关节和膝关节转轴之间，能够在第一电机的驱动下绕髋关节转轴(1)转动，在第二电机的驱动下绕膝关节转轴(2)转动；小腿机械臂(5)连接在膝关节和踝关节转轴之间，能够在第二电机的驱动下绕膝关节转轴(2)转动；足踏板(6)安装在足底，一端与踝关节转轴(3)相连，能够在第三电机的驱动下绕踝关节转轴(3)转动；所述姿态传感器分别设置在穿戴者脚的表面、大腿的侧面、小腿的侧面及骶骨正前方，分别获取穿戴者脚、大腿、小腿及腰部的姿态信息；所述角度传感器分别设置在穿戴者髋关节两侧、膝关节及踝关节侧面，获取穿戴者髋关节两侧、膝关节及踝关节角度信息；所述压力传感器分别设置在穿戴者足底、大腿上表面、小腿上表面，获取穿戴者足底、大腿、小腿处的与外骨骼机器人穿戴部件之间的压力信息；所述表面肌电信号传感器分别设置在穿戴者大腿股直肌和股二头肌、小腿的胫骨前肌、腓肠肌和比目鱼肌上，用于实时获取穿戴者大腿、小腿表面肌电信号；处理器接收所述姿态传感器、角度传感器、压力传感器、表面肌电信号传感器发送的采集信息，进行滤波处理及特征提取，得到穿戴者运动表征参数，将解算得到的运动表征参数与数据库中存储的运动表征参数数据进行匹配，找到该运动表征参数数据对应的运动意图；根据穿戴者的运动意图，确定并输出外骨骼机器人穿戴部件在第一至第三电机的输出力矩。...

【技术特征摘要】
1.一种外骨骼机器人控制系统，其特征在于：包括姿态传感器、角度传感器、压力传感器、表面肌电信号传感器、处理器和外骨骼机器人穿戴部件；外骨骼机器人穿戴部件穿在穿戴者的腰部、大腿、小腿及足部；髋关节、膝关节和踝关节处设置转轴(1,2,3)，大腿机械臂(4)连接在髋关节和膝关节转轴之间，能够在第一电机的驱动下绕髋关节转轴(1)转动，在第二电机的驱动下绕膝关节转轴(2)转动；小腿机械臂(5)连接在膝关节和踝关节转轴之间，能够在第二电机的驱动下绕膝关节转轴(2)转动；足踏板(6)安装在足底，一端与踝关节转轴(3)相连，能够在第三电机的驱动下绕踝关节转轴(3)转动；所述姿态传感器分别设置在穿戴者脚的表面、大腿的侧面、小腿的侧面及骶骨正前方，分别获取穿戴者脚、大腿、小腿及腰部的姿态信息；所述角度传感器分别设置在穿戴者髋关节两侧、膝关节及踝关节侧面，获取穿戴者髋关节两侧、膝关节及踝关节角度信息；所述压力传感器分别设置在穿戴者足底、大腿上表面、小腿上表面，获取穿戴者足底、大腿、小腿处的与外骨骼机器人穿戴部件之间的压力信息；所述表面肌电信号传感器分别设置在穿戴者大腿股直肌和股二头肌、小腿的胫骨前肌、腓肠肌和比目鱼肌上，用于实时获取穿戴者大腿、小腿表面肌电信号；处理器接收所述姿态传感器、角度传感器、压力传感器、表面肌电信号传感器发送的采集信息，进行滤波处理及特征提取，得到穿戴者运动表征参数，将解算得到的运动表征参数与数据库中存储的运动表征参数数据进行匹配，找到该运动表征参数数据对应的运动意图；根据穿戴者的运动意图，确定并输出外骨骼机器人穿戴部件在第一至第三电机的输出力矩。2.如权利要求1所述的外骨骼机器人控制系统，其特征在于：所述运动意图为髋关节伸展、髋关节屈曲、膝关节伸展、膝关节屈曲、踝关节背屈或踝关节跖屈。3.如权利要求1或2所述的外骨骼机器人控制系统，其特征在于：所述数据库的获取方式为：大量试验者穿戴外骨骼机器人穿戴部件后进行相应运动获得训练样本，试验者执行相应的动作，获取对应的表征参数，包括穿戴者脚、大腿、小腿及腰部的姿态信息，穿戴者髋关节两侧、两个膝关节及两个踝关节角度信息，穿戴者两足底、大腿、小腿处的压力信息，穿戴者两大腿、小腿表面肌电信号，获取表征参数与运动意图的对应关系。4.如权利要求1或2所述的外骨骼机器人控制系统，其特征在于：还包括主动反馈系统和VR头显设备，处理器将运动意图、姿态传感器和所述角度传感器检测的信息发送给主动反馈系统，主动反馈系统控制VR头显设备使穿戴者实时在虚拟环境看见自身的动作，显示该运动意图适合的场景。5.如权利要求4所述的外骨骼机器人控制系统，其特征在于：VR头显设备根据姿态传感器和所述角度传感器检测的信息通过三维模型模拟穿戴者的动作，通过运动意图显示该运动意图适合的场景，髋关节伸展和髋关节屈曲伸展适合的场景为行走运动，膝关节伸展和膝关节屈曲伸展适合的场景为跨越障碍；踝关节背屈和踝关节跖屈适合的场景为骑车运动。6.如权利要求1或2所述的外骨骼机器人控制系统，其特征在于：还包括主动反馈系统和可穿戴式气囊；在穿戴者的不可知觉部位和可知觉部位均设置可穿戴式气囊，主动反馈系统根据所述压力传感器采集的不可知觉部位的压力值，控制在不可知觉部位和可知觉部位均通过穿戴式气囊施加与压力传感器采集的不可知觉部位的压力值相同的压力。7.如权利要求6所述的外骨骼机器人控制系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶云飞，黄玉平，郑继贵，陈靓，王福德，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11