基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人系统技术方案

本实用新型专利技术公开一种基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人及其控制系统，该机器人包括背板、腰部固定机构和腿脚机构，背板两端各固定连接一腰部固定机构，腰部固定机构的两端各可转动连接一腿脚机构，腿脚机构包括依次连接的髋关节机构、大腿、膝关节机构、小腿及小腿固定块机构，所述的控制系统包括腰部模块、左脚脚底模块和右脚脚底模块，右脚模块将检测到的各区域压力值发送给左脚模块，左脚模块将所有脚底压力数值发送给腰部模块，最后第三单片机综合脚底压力值、角度值以及加速度值分析人体所处的状态，进而协同控制四个舵机转动达到辅助行走的功能。本实用新型专利技术的系统的误判率较低，判断精度高，保护了用户的安全，且易穿戴、使用方便。

An assisted walking exoskeleton robot system based on multi-sensor fusion

The utility model discloses an assistant walking exoskeleton robot based on multi-sensor fusion and its control system. The robot comprises a back plate, a waist fixing mechanism and a leg-foot mechanism, each end of the back plate is fixedly connected with a waist fixing mechanism, each end of the waist fixing mechanism can rotate and connect a leg-foot mechanism, and a leg-foot mechanism package. The control system comprises a waist module, a left foot sole module and a right foot sole module. The right foot module transmits the detected pressure values of each area to the left foot module, and the left foot module transmits all the pressure values of the foot sole to the left foot module. Finally, the third single-chip microcomputer synthesizes sole pressure, angle and acceleration value to analyze the state of the human body, and then coordinately controls the rotation of the four steering engines to achieve the function of assistant walking. The misjudgment rate of the system of the utility model is low, the judgment precision is high, the safety of the users is protected, and the system is easy to wear and convenient to use.

【技术实现步骤摘要】
基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人系统
本技术涉及智能检测、外骨骼机器人等领域，尤其涉及的是一种基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人系统。
技术介绍
现在的辅助行走系统方法一般有：使用者通过自动控制器来控制的穿戴式外骨骼机器人辅助行走系统，相当于是遥控机器人，达到辅助行走的功能；基于机器视觉的机器人辅助行走系统，机器人通过摄像头采集并经处理器图像处理得到周围的信息，进而控制机器人运动的姿态；运动场地固定的辅助行走系统，主要针对无法行走的患者进行康复训练。通过这些方法来检测跌倒，存在以下几个问题：1)自动控制器来控制的机器人存在安全隐患，且普遍操作复杂，推广性较差；2)通过摄像头进行图像识别的方案存在许多干扰因素，当周围环境过于复杂时会导致判断错误，可能会对人体造成伤害；3)运动场地固定的辅助行走设备占地面积较大，制作成本较高，且无法满足使用者的生理需求和心理需求，难以推广普及。多传感器信息融合技术能够提高整个系统的可靠性并能够增强数据的可信度，提高精度。而正是多传感器融合技术能够解决检测等问题的优势，将其应用在辅助行走外骨骼机器人系统设计中，能够更准确地检测到人体所处的状态进行预判，从而实现更准确更安全更舒适的辅助行走。
技术实现思路
针对现有的辅助行走系统存在的功能单一、占地面积大、安全系数不高的问题，本技术提供一种基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人系统，该系统可穿戴、精度高、低成本，且安全可靠，具体技术方案如下：一种基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人，其特征在于，该机器人包括背板1、腰部固定机构2和腿脚机构，所述的背板1两端各固定连接一腰部固定机构2，所述的腰部固定机构2的两端各可转动连接一腿脚机构，所述的腿脚机构包括髋关节机构3、大腿4、膝关节机构5、小腿6及小腿固定块机构7，所述的髋关节机构包括髋关节连接件一3-1和髋关节连接件二3-2，所述的膝关节机构5包括膝关节连接件一5-1和膝关节连接件二5-2，所述的腰部固定机构2和所述的髋关节连接件一3-1可转动连接，所述的髋关节连接件一3-1、髋关节连接件二3-2通过舵机7连接，所述的髋关节连接件二3-2、大腿4、膝关节连接件一5-1依次固定连接，所述的膝关节连接件一5-1、膝关节连接件二5-2也通过舵机7连接，所述的膝关节连接件二5-2、小腿6、小腿固定块机构7依次固定连接。进一步地，所述的背板1、大腿4和小腿6采用碳纤维制成，其他部件采用ABS材料制成。一种如上所述的基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人的控制系统，其特征在于，该系统包括腰部与脚底两个模块；所述的脚底模块包括左脚脚底模块和右脚脚底模块，所述的右脚脚底模块包括第一单片机和均与所述的第一单片机相连的第一电源模块、右脚力敏传感器、第一无线通信模块，所述的第一电源模块为第一单片机供电，所述的右脚力敏传感器用来检测被穿戴者的右脚踩力，所述的第一无线通信模块将右脚数据发送给第二无线通信模块；所述的左脚脚底模块包括第二单片机及均与所述的第二单片机相连的第二电源模块、左脚力敏传感器、第二无线通信模块和第三无线通信模块，所述的第二电源模块为第二单片机供电，所述的左脚力敏传感器用来检测被穿戴者的左脚踩力，所述的第二无线通信模块用于接收来自于所述的第一无线通信模块的右脚数据，第三无线通信模块用于将左右脚数据发送给第四无线通信模块；所述的腰部模块包括第三单片机以及与均所述的第三单片机相连的第三电源模块、左腿姿态检测模块、右腿姿态检测模块、第四无线通信模块和运动控制模块，所述的第三电源模块用于为第三单片机供电，所述左腿姿态检测模块和右腿姿态检测模块用来获取人体腿部与直立时的角度偏移以及三轴加速度值，所述第四无线通信模块接收来自第三无线通信模块的左右脚数据；所述的运动控制模块包括位于左腿髋关节的第一舵机、左腿膝关节的第二舵机、右腿髋关节的第三舵机以及右腿膝关节的第四舵机组成。进一步地，所述的左脚力敏传感器和右脚力敏传感器均布置在前脚掌区域、第2～4跖骨区域和后足区域，通过相应区域来获取人体脚底的信息，从而判断人体的运动状态。进一步地，所述的脚底模块安装在鞋垫内。进一步地，所述的前脚掌区域的力敏传感器为3个分别位于第一远节跖骨处、第一近节跖骨处和第五近节跖骨处，所述的第2～4跖骨区域的力敏传感器为1个，位于股骨处，所述的后足区域的力敏传感器为1个，位于跟骨处。进一步地，所述的力敏传感器为FSR402力敏传感器。进一步地，所述的左腿姿态检测模块和右腿姿态检测模块均为六轴陀螺仪加速度计。与现有技术相比，本技术的有益效果如下：本技术的系统的误判率较低，能够有效地判断出人体的状态，并结合多传感器融合的技术来分析出人体的实时状态。通过力敏传感器的合理布局，使得采集的压力值能够合理的反映出人体脚底的着地状态。在正确地掌握了人体脚底情况后，结合腰部的姿态检测模块来更精确地判断出人体是否想要行走，进而通过运动控制模块协同控制髋关节和膝关节的四个舵机辅助使用者行走，使用者只需使用很小的力便可轻松行走。系统在提高判断精度，保护了用户的安全，并具备了易穿戴、使用方便、提高用户使用满意度的特点。附图说明图1为本技术的基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人的结构示意图图2是基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人的控制系统的各模块示意图；图3是控制系统的脚底模块压力传感器分区示意图；图4是力敏传感器原理图；图5是髋关节与膝关节的限位结构示意图；图6是控制系统的控制方法的流程图。具体实施方式如图1所示，基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人，其特征在于，该机器人包括背板1、腰部固定机构2和腿脚机构，所述的背板1两端各固定连接一腰部固定机构2，所述的腰部固定机构2的两端各可转动连接一腿脚机构，所述的腿脚机构包括髋关节机构3、大腿4、膝关节机构5、小腿6及小腿固定块机构7，所述的髋关节机构包括髋关节连接件一3-1和髋关节连接件二3-2，所述的膝关节机构5包括膝关节连接件一5-1和膝关节连接件二5-2，所述的腰部固定机构2和所述的髋关节连接件一3-1可转动连接，所述的髋关节连接件一3-1、髋关节连接件二3-2通过舵机7连接，所述的髋关节连接件二3-2、大腿4、膝关节连接件一5-1依次固定连接，所述的膝关节连接件一5-1、膝关节连接件二5-2也通过舵机7连接，所述的膝关节连接件二5-2、小腿6、小腿固定块机构7依次固定连接。为了尽可能地减轻重量，提高了硬度和强度，本技术的骨骼机器人中的背板1、大腿4和小腿6采用碳纤维制成，其他部件采用ABS材料制成。另外，为了保护使用者的安全，防止舵机转动过大的角度伤害膝关节，在髋关节连接件一3-1和髋关节连接件二3-2之间、膝关节连接件一5-1和膝关节连接件二5-2之间均设置限位机构，如图5所示。通过膝关节连接件一5-1和膝关节连接件二5-2的卡接实现限位。如图2所示，一种基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人的控制系统，该系统包括腰部与脚底两个模块；脚底模块包括左脚脚底模块和右脚脚底模块，右脚脚底模块包括第一单片机和均与所述的第一单片机相连的第一电源模块、右脚力敏传感器、第一无线通信模块，第一电源模块为第一单片机供电，右脚力敏传感器用来检测被穿戴者的右脚踩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人，其特征在于，该机器人包括背板(1)、腰部固定机构(2)和腿脚机构，所述的背板(1)两端各固定连接一腰部固定机构(2)，所述的腰部固定机构(2)的两端各可转动连接一腿脚机构，所述的腿脚机构包括髋关节机构(3)、大腿(4)、膝关节机构(5)、小腿(6)及小腿固定块机构(7)，所述的髋关节机构包括髋关节连接件一(3‑1)和髋关节连接件二(3‑2)，所述的膝关节机构(5)包括膝关节连接件一(5‑1)和膝关节连接件二(5‑2)，所述的腰部固定机构(2)和所述的髋关节连接件一(3‑1)可转动连接，所述的髋关节连接件一(3‑1)、髋关节连接件二(3‑2)通过舵机(7)连接，所述的髋关节连接件二(3‑2)、大腿(4)、膝关节连接件一(5‑1)依次固定连接，所述的膝关节连接件一(5‑1)、膝关节连接件二(5‑2)也通过舵机(7)连接，所述的膝关节连接件二(5‑2)、小腿(6)、小腿固定块机构(7)依次固定连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人，其特征在于，该机器人包括背板(1)、腰部固定机构(2)和腿脚机构，所述的背板(1)两端各固定连接一腰部固定机构(2)，所述的腰部固定机构(2)的两端各可转动连接一腿脚机构，所述的腿脚机构包括髋关节机构(3)、大腿(4)、膝关节机构(5)、小腿(6)及小腿固定块机构(7)，所述的髋关节机构包括髋关节连接件一(3-1)和髋关节连接件二(3-2)，所述的膝关节机构(5)包括膝关节连接件一(5-1)和膝关节连接件二(5-2)，所述的腰部固定机构(2)和所述的髋关节连接件一(3-1)可转动连接，所述的髋关节连接件一(3-1)、髋关节连接件二(3-2)通过舵机(7)连接，所述的髋关节连接件二(3-2)、大腿(4)、膝关节连接件一(5-1)依次固定连接，所述的膝关节连接件一(5-1)、膝关节连接件二(5-2)也通过舵机(7)连接，所述的膝关节连接件二(5-2)、小腿(6)、小腿固定块机构(7)依次固定连接。2.根据权利要求1所述的基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人，所述的背板(1)、大腿(4)和小腿(6)采用碳纤维制成，其他部件采用ABS材料制成。3.一种如权利要求1所述的基于多传感器融合的辅助行走外骨骼机器人的控制系统，其特征在于，该系统包括腰部与脚底两个模块；所述的脚底模块包括左脚脚底模块和右脚脚底模块，所述的右脚脚底模块包括第一单片机和均与所述的第一单片机相连的第一电源模块、右脚力敏传感器、第一无线通信模块，所述的第一电源模块为第一单片机供电，所述的右脚力敏传感器用来检测被穿戴者的右脚踩力，所述的第一无线通信模块将右脚数据发送给第二无线通信模块；所述的左脚脚底模块包括第...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘树文，马徐峰，李威燃，叶能兴，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，
类型：新型
国别省市：浙江,33