具有人体运动检测功能的外骨骼机器人系统及控制方法，它涉及一种外骨骼机器人系统及控制方法，以解决现有的外骨骼助力机器人往往针对平地行走这一典型步态，适用性差，以及不能正确判断人体运动意图的需求，不能使外骨骼机器人和人体之间保持运动的协调，复杂路面难以实现良好的助力效果的问题，它包括上体背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、大腿驱动系统和小腿穿戴系统；上体背部包括背部支架；上体背部还包括肩带，每个大腿驱动系统还包括大腿捆绑带，每个小腿穿戴系统还包括脚部捆绑带、上胶垫、下胶垫、脚后跟板，所述外骨骼机器人系统还包括传感检测控制系统。本发明专利技术用于助力行走和人体运动姿态的检测控制。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，它涉及一种外骨骼机器人系统及控制方法，以解决现有的外骨骼助力机器人往往针对平地行走这一典型步态，适用性差，以及不能正确判断人体运动意图的需求，不能使外骨骼机器人和人体之间保持运动的协调，复杂路面难以实现良好的助力效果的问题，它包括上体背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、大腿驱动系统和小腿穿戴系统；上体背部包括背部支架；上体背部还包括肩带，每个大腿驱动系统还包括大腿捆绑带，每个小腿穿戴系统还包括脚部捆绑带、上胶垫、下胶垫、脚后跟板，所述外骨骼机器人系统还包括传感检测控制系统。本专利技术用于助力行走和人体运动姿态的检测控制。【专利说明】
本专利技术涉及一种外骨骼机器人系统及控制方法。
技术介绍
负重外骨骼能够帮助人体承受负载并增强承受大负载的耐久力，在军用和民用方 面均有广阔的市场前景。能够帮助士兵背负武器装备长途行军或作战，还可以辅助穿戴 者在山地等复杂环境背负或运送货物，以及提高重体力劳动者的日常作业能力。对于身 体健康的穿戴者，外骨骼必须能够快速准确的判断出人体的运动意图，进而进行跟随，才 能在不增加人机干涉力的前提下，实现良好的助力效果。人体的运动具有多样性、随机性 的特点。传统的外骨骼助力机器人往往针对平地行走这一典型步态，基于脚底压力信息 或大小腿捆绑检测，来判断人体的运动意图，控制方法的实用性和实时性较差。如申请号 201310686549. 6的中国专利技术专利申请提出一种便携储能式外骨骼助力机器人，该机器人虽 然能提供动力协助人的行走，增强人的行走能力和速度，提高了人体的负重能力，缓解了疲 劳，但是不能正确判断人体运动意图的需求，不能使外骨骼机器人和人体之间保持运动的 协调，且在坎坷崎岖的复杂路面难以实现良好的助力效果。
技术实现思路
本专利技术是为解决现有的外骨骼助力机器人往往针对平地行走这一典型步态，适用 性差，以及不能正确判断人体运动意图的需求，不能使外骨骼机器人和人体之间保持运动 的协调，复杂路面难以实现良好的助力效果的问题，进而提供一种具有人体运动检测功能 的外骨骼机器人系统及控制方法。 本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是： 本专利技术的具有人体运动检测功能的外骨骼机器人系统包括上体背部、左腿和右 腿，左腿和右腿分别包括上体背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、大腿 驱动系统和小腿穿戴系统；上体背部包括背部支架；每个大腿驱动系统包括膝关节齿轮箱 体；每个小腿穿戴系统包括鞋底； 上体背部还包括肩带，每个大腿驱动系统还包括大腿捆绑带，每个小腿穿戴系统 还包括脚部捆绑带、上胶垫、下胶垫、脚后跟板，所述外骨骼机器人系统还包括传感检测控 制系统； 所述传感检测控制系统包括工控计算机、后背薄膜压力传感器、两个脚后跟薄膜 压力传感器、两个接触力传感装置、两个肩带拉力传感装置和三个脚底薄膜压力传感器； 每个接触力传感装置包括本体、两个立板和四个应变片，本体呈[形，本体的相对 的两个侧臂上各安装有一个立板，且本体与两个立板一体制成，本体的相对的每个侧臂和 立板之间布置有与本体连接的两个应变片，四个应变片构成一个全桥电路，本体的主臂外 侧面连接有大腿捆绑带，两个立板插装在膝关节齿轮箱体上； 肩带的上部横向安装有两个肩带拉力传感装置，每个肩带拉力传感装置包括两个 连接件、两个插装件和两个薄膜压力传感器，两个连接件之间布置有两个插装件，两个插装 件插装在一起，两个插装件之间的一个插装件上安装有两个薄膜压力传感器，其中一个插 装件与其远离的连接件连接，剩余一个插装件与另一个连接件连接，其中一个连接件与肩 带连接，剩余一个连接件与背部支架连接； 背部支架的背面上安装有后背薄膜压力传感器，每个脚部捆绑带连接在相对应的 鞋底上，每个鞋底的后端安装有脚后跟板，脚后跟板内嵌装有两个脚后跟薄膜压力传感器， 两个脚后跟薄膜压力传感器构成半桥电路，鞋底的上表面固接有下胶垫，下胶垫上的前脚 掌段、脚中段和脚后跟段分别布置有脚底薄膜压力传感器，上胶垫覆盖在三个脚底薄膜压 力传感器上； 工控计算机安装有外围扩展电路，包括I/O数据采集卡和CAN卡，工控计算机实现 传感检测系统的多种传感信息采集和关节驱动电机的通信及控制。 本专利技术的具有人体运动检测功能的外骨骼机器人系统的控制方法是按照以下步 骤进行的： 步骤一、单腿支撑和单腿摆动的控制，设F1为支撑腿对后背的作用力，F2为接触 力检测装置检测的摆动腿的作用力，F3为脚后跟薄膜压力传感器对小腿的作用力，F4为摆 动腿的脚底支撑力，F5为接触力检测装置检测的支撑腿的作用力，。为肩带的捆绑作用后 背薄膜压力传感器产生的初始预紧力，控制支撑腿膝关节转角Θ zk使F5回归零； 步骤二、控制支撑腿髋关节转角Θ zhl使F1回归Fi_。，保证人机后背平行；支撑腿膝 关节转角ezk实时叠加到支撑腿髋关节上，支撑腿髋关节最终转角为e zh= θζω+θζ1?; 步骤三、控制摆动腿髋关节转角0bhl使F2归零，支撑腿髋关节转角0zh实时叠加 到摆动腿髋关节转角e bh上，摆动腿髋关节最终转角为ebh= 0zh+ebhl; 步骤四、控制摆动腿膝关节转角ebk使F3归零。 本专利技术的具有人体运动检测功能的外骨骼机器人系统的控制方法是按照以下步 骤进行的： 步骤一、双腿支撑的控制，根据两个脚底薄膜压力传感器的测力值F4和F7的大 小，以较大值的一侧为主支撑腿，较小值的一侧为副支撑腿，设F1为副支撑腿对后背的作 用力，F5为接触力检测装置检测的副支撑腿的作用力，。为肩带的捆绑作用后背薄膜压力 传感器产生的初始预紧力； 步骤二、控制主支撑腿膝关节转角Θ zzk使F2回归零； 步骤三、控制主支撑腿髋关节转角Θ zzhl使F1回归。，保证人机后背平行；主 支撑腿膝关节转角θζζ1?实时叠加到主支撑腿髋关节上，主支撑腿髋关节最终为0 zzh = 9 zzhl+ 9 zzk ? 步骤四、控制副支撑腿膝关节转角Θ fzk使F5归零； 步骤五、副支撑腿膝关节转角efzk和主支撑腿髋关节最终转角0zzh均需叠加到 副支撑腿髋关节上，因此，控制副支撑腿髋关节转角为9 fzh= 0fzk+0zzh; 步骤六、当人体弯腰时，后背的检测值F1小于Fi_。，此时，以肩带拉力传感装置的 拉力检测值h ian替代F1，以拉力值Fmu替代Fi_。，其它重复步骤二至步骤五。 本专利技术的具有人体运动检测功能的外骨骼机器人系统的控制方法是：双腿腾空摆 动的控制，F2为接触力检测装置检测的左摆动腿的作用力，F3为脚后跟薄膜压力传感器对 左小腿的作用力，F5为接触力检测装置检测的右摆动腿的作用力，F6脚后跟薄膜压力传感 器对左小腿的作用力，分别检测大腿捆绑带的一维力F2和F5,控制髋关节电机转动使F2和 F5归零，分别检测脚后跟的一维力F3和F6,控制膝关节电机转动使F3和F6归零。 本专利技术的有益效果是：本专利技术基于一款现有的外骨骼助力机器人，在全面分析了 人体行走步态的基础上，针对复杂运动环境下的负重外骨骼助力机器人的人体运动意图， 包括对人体运动形态的多样性和行走路面的复杂性，在负重外骨本文档来自技高网...
【技术保护点】
具有人体运动检测功能的外骨骼机器人系统，它包括上体背部(A)、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统(B)、大腿驱动系统(C)和小腿穿戴系统(D)；上体背部(A)包括背部支架(3)；每个大腿驱动系统(C)包括膝关节齿轮箱体(38)；每个小腿穿戴系统(D)包括鞋底(72)；其特征在于：上体背部(A)还包括肩带(81)，每个大腿驱动系统(C)还包括大腿捆绑带(89)，每个小腿穿戴系统(D)还包括脚部捆绑带(84)、上胶垫(83)、下胶垫(87)、脚后跟板(91)，所述外骨骼机器人系统还包括传感检测控制系统；所述传感检测控制系统包括工控计算机、后背薄膜压力传感器(88)、两个脚后跟薄膜压力传感器(90)、两个接触力传感装置(82)、两个肩带拉力传感装置(86)和三个脚底薄膜压力传感器(85)；每个接触力传感装置(82)包括本体(82‑1)、两个立板(82‑2)和四个应变片(82‑3)，本体(82‑1)呈[形，本体(82‑1)的相对的两个侧臂上各安装有一个立板(82‑2)，且本体(82‑1)与两个立板(82‑2)一体制成，本体(82‑1)的相对的每个侧臂和立板(82‑2)之间布置有与本体(82‑1)连接的两个应变片(82‑3)，四个应变片(82‑3)构成一个全桥电路，本体(82‑1)的主臂外侧面连接有大腿捆绑带(89)，两个立板(82‑2)插装在膝关节齿轮箱体(38)上；肩带(81)的上部横向安装有两个肩带拉力传感装置(86)，每个肩带拉力传感装置(86)包括两个连接件(86‑1)、两个插装件(86‑2)和两个薄膜压力传感器(98)，两个连接件(86‑1)之间布置有两个插装件(86‑2)，两个插装件(86‑2)插装在一起，两个插装件(86‑2)之间的一个插装件(86‑2)上安装有两个薄膜压力传感器(98)，其中一个插装件(86‑2)与其远离的连接件(86‑1)连接，剩余一个插装件(86‑2)与另一个连接件(86‑1)连接，其中一个连接件(86‑1)与肩带(81)连接，剩余一个连接件(86‑1)与背部支架(3)连接；背部支架(3)的背面上安装有后背薄膜压力传感器(88)，每个脚部捆绑带(84)连接在相对应的鞋底(72)上，每个鞋底(72)的后端安装有脚后跟板(91)，脚后跟板(91)内嵌装有两个脚后跟薄膜压力传感器(90)，两个脚后跟薄膜压力传感器(90)构成半桥电路，鞋底(72)的上表面固接有下胶垫(87)，下胶垫(87)上的前脚掌段、脚中段和脚后跟段分别布置有脚底薄膜压力传感器(85)，上胶垫(83)覆盖在三个脚底薄膜压力传感器(85)上；工控计算机安装有外围扩展电路，包括I/O数据采集卡和CAN卡，工控计算机实现传感检测系统的多种传感信息采集和关节驱动电机的通信及控制。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：朱延河，赵杰，张超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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