基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法技术

基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法，属于外骨骼关节运动控制领域，基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法具体为，力矩补偿：外骨骼处于力矩控制模式；信息采集：通过外骨骼的驱动器采集健康人典型动作时的各关节运动数据，将数据处理后，便获得各典型动作的关节运动数据参考；控制模式转换：设计基于状态机的外骨骼位置控制方法；轨迹输出：截瘫患者穿戴助行外骨骼，外骨骼主动带动患者按照参考的关节轨迹运动，同时通过状态机的状态切换实现患者在不同状态下的下肢关节运动复现。利用本发明专利技术实现的步态更加自然、舒适，本发明专利技术运动复现过程简单。穿戴式助行外骨骼关节运动的自然性、舒适性差与患者关节运动的适配性好。

Reproduction of Lower Limb Joint Motion Based on Wearable Exoskeleton

The method of lower limb joint motion reproduction based on wearable assistant exoskeleton belongs to the field of exoskeleton joint motion control. The method of lower limb joint motion reproduction based on wearable assistant exoskeleton is as follows: moment compensation: exoskeleton is in the mode of moment control; information collection: collecting typical healthy people through exoskeleton driver. After data processing, the joint motion data of each typical movement can be obtained for reference; control mode conversion: design exoskeleton position control method based on state machine; trajectory output: paraplegic patients wear assistant exoskeleton, exoskeleton actively drives patients to move according to the reference joint trajectory. At the same time, the patients'lower limb joint motion can be reproduced in different states by state machine switching. The gait realized by the invention is more natural and comfortable, and the motion reproduction process of the invention is simple. Wearable walking aids have poor naturalness and comfort of exoskeleton joint movement and good adaptability to patients'joint movement.

【技术实现步骤摘要】
基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法
本专利技术涉及两种下肢关节运动复现方法，具体涉及两种利用穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法。属于外骨骼关节运动控制领域。
技术介绍
我国有上千万由于脑卒中、脑中风、脊髓损伤、骨外伤等原因导致截瘫或偏瘫等下肢功能丧失的患者，同时不断增长的大量下肢功能减弱的老龄人口。针对这两大类人群，穿戴式助行外骨骼以其良好的拟人性与人机交互特点被寄予极大期望，目前已经开始了小范围的临床测试，前景十分广阔。穿戴式助行外骨骼的基本工作原理是通过驱动其主动关节带动患者的关节被动运动，从而实现运动功能的复现。目前，患者在穿戴助行外骨骼实现运动时，关节的原始运动参考数据基本上是利用基于视觉或惯性单元的运动捕捉设备采集正常人运动而得到的。不仅，需要额外购置与使用专业的运动捕捉设备，而且，存在数据采集与转换过程的近似处理、人体与外骨骼之间的运动关节异构、不同人体的不同运动方式与特征等问题，导致外骨骼生成的关节运动欠缺自然性与舒适性，与患者关节运动的适配性不高，后期需要大量的修正与优化工作。
技术实现思路
本专利技术是为解决现有穿戴式助行外骨骼关节运动的自然性、舒适性差与患者关节运动的适配性差、以及后期修正与优化工作量大的问题，进而提供一种基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法。设计两种面向不同应用情形的基于穿戴式外骨骼的下肢关节运动复现方法：面向下肢截瘫患者设计双下肢关节运动复现方法，面向下肢偏瘫患者设计健侧肢映射患侧肢的关节运动复现方法。本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：方案一：基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法，所述穿戴式助行外骨骼的控制和驱动系统包括上位机、主控制器和关节，关节包括髋关节和膝关节；所述髋关节和膝关节所用的驱动系统分别包括传动系统、电机和驱动器；上位机实现多种信息的采集及与主控制器的通讯；力矩补偿：外骨骼处于力矩控制模式，各关节的电机驱动各自关节输出一定的力矩，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，健康人带动外骨骼运动；信息采集：通过外骨骼电机驱动器采集健康人在进行站起、坐下、行走、上下楼梯典型动作时的各关节运动数据，将数据处理后，便获得各典型动作的关节运动数据参考；控制模式转换：设计基于状态机的外骨骼位置控制方法，将获得的各典型动作的关节运动数据参考导入到状态机中，将外骨骼设置为位置控制模式，电机按照预定的位置运动；轨迹输出：截瘫患者穿戴助行外骨骼，外骨骼主动带动患者按照参考的关节轨迹运动，同时通过状态机的状态切换实现患者在不同状态下的下肢关节运动复现。方案二：基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法，所述穿戴式助行外骨骼的控制和驱动系统包括上位机、主控制器和关节，关节包括髋关节和膝关节；所述髋关节和膝关节所用的驱动系统分别包括传动系统、电机和驱动器；上位机实现多种信息的采集及与主控制器的通讯；力矩补偿：外骨骼健侧肢处于力矩控制模式，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，外骨骼由偏瘫患者的健康侧下肢穿戴并运动；信息采集：采集患者健康侧下肢的关节运动数据，将数据处理后，获得行走过程中患者健康侧下肢的关节运动数据参考；控制模式切换：外骨骼的患侧下肢处于位置控制模式，将获得的健康侧下肢关节运动数据参考同步地导入到位置控制模式中；轨迹输出：外骨骼穿戴于患者的偏瘫侧下肢，外骨骼以患者健康侧下肢的关节运动数据作为参考，主动带动患者按照参考的关节轨迹运动，以实现患者健康侧下肢映射患侧下肢的关节运动复现。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：1、采用穿戴式助行外骨骼设备本身完成数据采集，尽可能的减小了原始误差，获得的原始数据针对性强，实现的步态更加自然、舒适。2、整个运动复现过程简单、易掌握，不需要额外设备，降低时间与经济成本。穿戴式助行外骨骼关节运动的自然性、舒适性差与患者关节运动的适配性好。3、将穿戴式助行外骨骼“一机两用”，提供了两种/一套采集人体运动数据的方法/设备。4、面向偏瘫人群，创新性的提出了侧肢映射患侧肢的关节运动复现方法，通过“一条腿学习自己另一条腿”思路，实现了下肢运动的在线同步映射学习，整个方法快速、简便、适用性强。附图说明图1为穿戴式助行外骨骼整体结构及驱动关节分布图；图2为穿戴式助行外骨骼的驱动与控制系统组成图；图3为本专利技术一个实施方式的双下肢关节运动复现方法流程图；图4为本专利技术另一个实施方式的健侧肢映射患侧肢的关节运动复现方法流程图；图5为穿戴式助行外骨骼的控制示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步地说明：图1是穿戴式助行外骨骼整体结构与驱动关节分布图，整体外骨骼主要分为三大部分五个模块：一个腰背模块I，两个大腿模块II，两个小腿模块III(含脚)。外骨骼的大腿模块II与小腿模块III均有互为镜像的左右腿两部分，大腿模块II分别与腰背模块I、小腿模块III通过快速插拔连接。外骨骼有四个主动驱动关节：左腿髋关节IV，右腿髋关节V，左腿膝关节VI，左腿膝关节VII。图2是穿戴式助行外骨骼的驱动与控制系统组成图。控制系统由上位机(PC)5、主控制器4、左腿髋关节IV，右腿髋关节V，左腿膝关节VI，左腿膝关节VII组成，上位机5与主控制器4之间通过下载器与模拟器实现信息的相互传递，主控制器4通过CAN总线与四个关节(左腿髋关节IV，右腿髋关节V，左腿膝关节VI，左腿膝关节VII)并行连接通讯，进行驱动信息的下发与检测信息的接收。四个关节的驱动系统组成相同。具体地，以左腿髋关节IV为例，左腿髋关节IV驱动系统由左腿髋关节的传动系统IV-1、左腿髋关节的电机IV-2、左腿髋关节的驱动器IV-3三部分组成。主控制器4通过CAN总线与左腿髋关节的驱动器IV-3连接，左腿髋关节的驱动器IV-3与左腿髋关节的电机IV-2电气相连，左腿髋关节的电机IV-2与左腿髋关节的传动系统IV-1机械相连。主控制器4将控制信息发送到左腿髋关节的驱动器IV-3，并采集其反馈数据，左腿髋关节的驱动器IV-3驱动左腿髋关节的电机IV-2运动，左腿髋关节的电机IV-2带动左腿髋关节的传动系统IV-1运动，从而实现整个左腿髋关节IV的运动。其他三个关节(即右腿髋关节V，左腿膝关节VI，左腿膝关节VII)同理。此外，说明本专利技术中控制系统基本的两种控制模式：力矩控制模式与位置控制模式，以左腿髋关节IV为例，选择力矩控制模式时，主控制器4通过驱动器IV-3控制电机IV-2输出一定的力矩值，使电机IV-2带动驱动关节IV保持一定的力矩；选择位置控制模式时，主控制器4通过驱动器IV-3控制电机IV-2输出一定的位置量，使电机IV-2带动驱动关节IV保持一定的位置。其余三个关节(即右腿髋关节V，左腿膝关节VI，左腿膝关节VII)同理。上位机PC的作用为可以实时观测运动时的各种数据，例如关节角度、机器人运行状态等，主要用于调试机器人，外骨骼机器人在不连接上位机的状态下运行。参见图3和图5，一个实施方式的基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法为面向下肢截瘫患者设计双下肢关节运动复现方法，具体为：力矩补偿：外骨骼处于力矩控制模式，各关节的电机驱动各自关节输出一定的力矩，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，健康人带动外骨骼运动；信息采集：通过外骨骼本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法，所述穿戴式助行外骨骼的控制和驱动系统包括上位机、主控制器和关节，关节包括髋关节和膝关节；所述髋关节和膝关节所用的驱动系统分别包括传动系统、电机和驱动器；上位机实现多种信息的采集及与主控制器的通讯；其特征在于：所述下肢关节运动复现方法为：力矩补偿：外骨骼处于力矩控制模式，各关节的电机驱动各自关节输出一定的力矩，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，健康人带动外骨骼运动；信息采集：通过外骨骼的驱动器采集健康人在进行站起、坐下、行走、上下楼梯典型动作时的各关节运动数据，将数据处理后，便获得各典型动作的关节运动数据参考；控制模式转换：设计基于状态机的外骨骼位置控制方法，将获得的各典型动作的关节运动数据参考导入到状态机中，将外骨骼设置为位置控制模式，电机按照预定的位置运动；轨迹输出：截瘫患者穿戴助行外骨骼，外骨骼主动带动患者按照参考的关节轨迹运动，同时通过状态机的状态切换实现患者在不同状态下的下肢关节运动复现。

【技术特征摘要】
1.基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法，所述穿戴式助行外骨骼的控制和驱动系统包括上位机、主控制器和关节，关节包括髋关节和膝关节；所述髋关节和膝关节所用的驱动系统分别包括传动系统、电机和驱动器；上位机实现多种信息的采集及与主控制器的通讯；其特征在于：所述下肢关节运动复现方法为：力矩补偿：外骨骼处于力矩控制模式，各关节的电机驱动各自关节输出一定的力矩，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，健康人带动外骨骼运动；信息采集：通过外骨骼的驱动器采集健康人在进行站起、坐下、行走、上下楼梯典型动作时的各关节运动数据，将数据处理后，便获得各典型动作的关节运动数据参考；控制模式转换：设计基于状态机的外骨骼位置控制方法，将获得的各典型动作的关节运动数据参考导入到状态机中，将外骨骼设置为位置控制模式，电机按照预定的位置运动；轨迹输出：截瘫患者穿戴助行外骨骼，外骨骼主动带动患者按照参考的关节轨迹运动，同时通过状态机的状态切换实现患者在不同状态下的下肢关节运动复现。2.根据权利要求1所述基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法，所述穿戴式助行外骨骼的控制和驱动系统包括上位机、主控制器和关节，关节包括髋关节和膝关节；所述髋关节和膝关节所用的驱动系统分别包括传动系统、电机和驱动器；上位机实现多种信息的采集及与主控制器的通讯；其特征在于：所述下肢关节运动复现方法为：力矩补偿：外骨骼健侧肢处于力矩控制模式，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，外骨骼由偏瘫患者的健康侧下肢穿戴并运动；信息采集：采集患者健康侧下肢的关节运动数据，将数据处理后，获得行走过程中患者健康侧下肢的关节运动数据参考；控制模式切换：外骨骼的患侧下肢处于位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱延河，郑天骄，闫旭，隋东宝，赵杰，
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