一种具有自平衡性的助力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具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统，该系统采用了多传感器融合技术，脚底压力检测模块将测得的压力数值通过无线通信模块发送给腰部单片机，腰部单片机实时读取左右两大腿、小腿以及腰部五个姿态检测传感器的数值，并结合脚底压力数值判断人体所处的行走状态，进而协同控制背部控制外骨骼机器人系统上下移动的电机，使人体行走时重心变化符合稳定行走的状态。当人体行走时左右两侧在冠状面内与竖直方向夹角超出阈值时，腰部的单片机会驱动控制外骨骼机器人系统在冠状面内转动的电机，使人体在冠状面内稳定行走，在一定程度上保证了使用者的安全，也提高了舒适性。

A self-balancing boost walking exoskeleton robot system

【技术实现步骤摘要】
一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统
本技术涉及传感器检测、智能控制、外骨骼机器人等领域，尤其涉及一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统。
技术介绍
目前市场上出现的助力行走外骨骼机器人还无法实现稳定平衡行走，存在一定的危险性，且当人体出现错误的行走姿势时无法有效地进行矫正。多传感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，将其应用在助力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。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。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，不能及时检测失衡状态，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)使用者行走时感觉单调无味，用户体验感差。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的不足，本技术提供一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统，其可穿戴、精度高、成本低、安全可靠。具体技术方案如下：一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统，其特征在于，该系统包括外骨骼机器人骨架、腰部模块、脚底模块、运动模块；其中，所述的外骨骼机器人骨架包括背部机构、腰部机构和一组腿脚机构，所述的背部机构的两端分别可伸缩连接一个腰部机构，且所述的腰部机构相对于背部机构可转动；每个腰部机构各连接一个腿脚机构；所述的腿脚机构包括依次可转动连接的髋关节、可伸缩大腿、膝关节、可伸缩小腿踝关节和脚，以及位于所述的髋关节、膝关节、上的关节限位机构；所述的腰部模块包括腰部单片机、腰部无线通信模块和至少五个姿态检测传感器，所述的姿态检测传感器分别固定在所述的骨架的左大腿、右大腿、左小腿、右小腿和背部机构上，用于获取人体各部位与竖直方向的角度偏移以及三轴加速度值；所述的脚底模块包括电连接的压力传感器、脚底单片机、脚底无线通信模块，所述的压力传感器用来检测被穿戴者的脚踩力，所述的脚底单片机对传感器产生的电信号转换为数字信号，通过脚底无线通信模块发送给腰部模块；所述运动模块包括位于左右髋关节、膝关节、的四个腿部电机、放置所述的外骨骼机器人骨架的跑步机，所述的跑步机包括皮带和支撑架，所述的骨架的背部机构连接在所述的跑步机的支撑架上，通过驱动固定在支撑架上的腰部电机，实现所述的外骨骼机器人骨架的移动和摆动；通过位于腿部的姿态检测传感器和脚底的力敏传感器检测使用者的姿态，并将数据发送给腰部单片机，通过腰部单片机控制位于左右髋关节、膝关节的四个腿部电机和腰部电机，辅助使用者走路。进一步地，所述的跑步机还包括交互模块，用于设定不同的行走模式；所述的交互模块还包括一个急停开关，所述的急停开关为旋转复位式急停开关。进一步地，所述的腰部电机包括冠状面转动电机和上下移动电机。进一步地，还包括虚拟视觉系统，用于模拟正常人户外行走的体验。进一步地，所述的腿部电机为包含谐波减速器的直流无刷电机。进一步地，所述的姿态检测传感器均选用MPU6050六轴陀螺仪加速度计，所述的脚底传感器选用FSR402压力传感器。进一步地，所述的脚底的压力传感器共有6个，左右脚各三个，其中，前脚掌布置两个，后足区域布置1个。本技术的有益效果如下：本技术的助力行走外骨骼机器人系统能够有效地判断出人体的状态，并通过压力传感器的合理布局，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。结合多传感器融合的技术来分析出人体的实时状态，通过结合脚底压力数值与下肢各部位与竖直方向夹角判断人体所处的行走状态，进而驱动位于左右髋关节、膝关节的电机以设定速度转动，且协同驱动位于左右髋关节、膝关节的四个腿部电机控制外骨骼机器人规律地上下运动，提高了系统穿戴使用的舒适性；系统还可以自动矫正使用者在冠状面的倾斜角度，提高安全性。也使得一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统适用性更广、更安全可靠、更舒适。附图说明图1是一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统各模块结构示意图；图2是外骨骼机器人骨架的结构示意图；图3是系统脚底模块压力传感器分区示意图；图4是力敏传感器工作原理图；图5是系统脚底模块FPC柔性电路板设计图；图6是具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统的控制流程图；1-外骨骼机器人骨架，2-腰部模块，3-脚底模块，4-运动模块，5-虚拟视觉系统，101-背部机构，102-腰部机构，103-腿脚机构，1031-左髋关节，1032-右髋关节，1033-可伸缩左大腿，1034-可伸缩右大腿，1035-左膝关节，1036-右膝关节，1037-可伸缩左小腿，1038-可伸缩右小腿，1039-左踝关节，1040-右踝关节，1041-左脚，1042-右脚，21-腰部单片机，22-腰部无线通信模块，23、24、25、26、27-姿态检测传感器，31-压力传感器，32-脚底单片机，33-脚底无线通信模块，41、42、43、44-腿部电机，45-跑步机，451-皮带，452-支撑架，453-交互模块，454-急停开关，46-冠状面转动电机、47-上下移动电机，48-系统电源模块。具体实施方式下面根据附图和优选实施例详细描述本技术，本技术的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。如图1-2所示，一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统，包括外骨骼机器人骨架1、腰部模块2、脚底模块3、运动模块4，其中，其中，外骨骼机器人骨架1包括背部机构101、腰部机构102和一组腿脚机构103，背部机构101的两端分别可伸缩连接一个腰部机构102，且腰部机构相对于背部机构101可转动；每个腰部机构102各连接一个腿脚机构；左腿脚机构包括依次可转动连接的左髋关节1031、可伸缩左大腿1033、左膝关节1035、可伸缩左小腿1037、左踝关节1039和左脚1041，右腿脚机构包括依次可转动连接的右髋关节1032、可伸缩右大腿1034、右膝关节1036、可伸缩右小腿1038、右踝关节1040和右脚1042，以及位于左、右髋关节1031、1032和左、右膝关节1035、1036上的关节限位机构1043；腰部模块2包括腰部单片机21、腰部无线通信模块22和至少五个姿态检测传感器23、24、25、26、27，五个姿态检测传感器23、24、25、26、27分别固定在骨架的左大腿1033、右大腿1034、左小腿1037、右小腿1038和背部机构101上，用于获取人体各部位与竖直方向的角度偏移以及三轴加速度值；腰部单片机21、腰部无线通信模块22位于跑步机的支撑架上；脚底模块3包括电连接的压力传感器31、脚底单片机32、脚底无线通信模块33，压力传感器31用来检测被穿戴者的脚踩力，脚底单片机32本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统，其特征在于，该系统包括外骨骼机器人骨架（1）、腰部模块（2）、脚底模块（3）、运动模块（4）；其中，所述的外骨骼机器人骨架（1）包括背部机构（101）、腰部机构（102）和一组腿脚机构（103），所述的背部机构（101）的两端分别可伸缩连接一个腰部机构（102），且所述的腰部机构相对于背部机构（101）可转动；每个腰部机构（102）各连接一个腿脚机构；所述的腿脚机构（103）包括依次可转动连接的髋关节（1031、1032）、可伸缩大腿（1033、1034）、膝关节（1035、1036）、可伸缩小腿（1037、1038）、踝关节（1039、1040）和脚（1041、1042），以及位于所述的髋关节（1031、1032）、膝关节（1035、1036）上的关节限位机构（1043）；所述的腰部模块（2）包括腰部单片机（21）、腰部无线通信模块（22）和至少五个姿态检测传感器（23、24、25、26、27），所述的姿态检测传感器（23、24、25、26、27）分别固定在所述的骨架的左大腿（1033）、右大腿（1034）、左小腿（1037）、右小腿（1038）和背部机构（101）上，用于获取人体各部位与竖直方向的角度偏移以及三轴加速度值；所述的脚底模块（3）包括电连接的压力传感器（31）、脚底单片机（32）、脚底无线通信模块（33），所述的压力传感器（31）用来检测被穿戴者的脚踩力，所述的脚底单片机（32）对传感器产生的电信号转换为数字信号，通过脚底无线通信模块（33）发送给腰部模块（2）；所述运动模块（4）包括位于左右髋关节（1031、1032）、膝关节（1035、1036）的四个腿部电机（41、42、43、44）、放置所述的外骨骼机器人骨架（1）的跑步机（45），所述的跑步机（45）包括皮带（451）和支撑架（452），所述的骨架的背部机构（101）连接在所述的跑步机的支撑架（452）上，通过驱动固定在支撑架（452）上的腰部电机，实现所述的外骨骼机器人骨架（1）的移动和摆动；通过位于腿部的姿态检测传感器和脚底的力敏传感器检测使用者的姿态，并将数据发送给腰部单片机，通过腰部单片机控制位于左右髋关节、膝关节的四个腿部电机和腰部电机，辅助使用者走路。...

【技术特征摘要】
1.一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统，其特征在于，该系统包括外骨骼机器人骨架（1）、腰部模块（2）、脚底模块（3）、运动模块（4）；其中，所述的外骨骼机器人骨架（1）包括背部机构（101）、腰部机构（102）和一组腿脚机构（103），所述的背部机构（101）的两端分别可伸缩连接一个腰部机构（102），且所述的腰部机构相对于背部机构（101）可转动；每个腰部机构（102）各连接一个腿脚机构；所述的腿脚机构（103）包括依次可转动连接的髋关节（1031、1032）、可伸缩大腿（1033、1034）、膝关节（1035、1036）、可伸缩小腿（1037、1038）、踝关节（1039、1040）和脚（1041、1042），以及位于所述的髋关节（1031、1032）、膝关节（1035、1036）上的关节限位机构（1043）；所述的腰部模块（2）包括腰部单片机（21）、腰部无线通信模块（22）和至少五个姿态检测传感器（23、24、25、26、27），所述的姿态检测传感器（23、24、25、26、27）分别固定在所述的骨架的左大腿（1033）、右大腿（1034）、左小腿（1037）、右小腿（1038）和背部机构（101）上，用于获取人体各部位与竖直方向的角度偏移以及三轴加速度值；所述的脚底模块（3）包括电连接的压力传感器（31）、脚底单片机（32）、脚底无线通信模块（33），所述的压力传感器（31）用来检测被穿戴者的脚踩力，所述的脚底单片机（32）对传感器产生的电信号转换为数字信号，通过脚底无线通信模块（33）发送给腰部模块（2）；所述运动模块（4）包括位于左右髋关节（1031、1032）、膝关节（1035、1036）的四个腿部电机（41、42、4...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘树文，马徐峰，李威燃，叶能兴，杨建伟，潘颂文，李艳君，
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