一种下肢助力软体机器人及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种下肢助力软体机器人及其控制方法，所述机器人包括：气源、至少一个流量控制件、第一驱动件、第二驱动件，至少两个气动人工肌肉部件、第一控制单元、第二控制单元、与所述第一控制单元连接的信号转换器；所述第一控制单元控制所述人工肌肉部件中输出气压的大小，同时所述第二控制单元发送开关信号控制驱动件驱动所述人工肌肉部件充气和放气。本发明专利技术实施例提供的机器人通过对人体肌肉部件中流通气体量以及对其中气体的充放进行控制，为人体脚踝行走提供生物力矩，实现辅助下肢关节运动。由于本实施例提供的机器人及其控制方法以气动人工肌肉为基础实现对下肢助力，因此助力转化效率高，为用户的行走提供了便利。

【技术实现步骤摘要】
一种下肢助力软体机器人及其控制方法
本专利技术涉及可穿戴机器人
，尤其涉及的是一种下肢助力软体机器人及其控制方法。
技术介绍
现有技术中用于足踝康复的可穿戴软体机器人大多采用了线驱系统，或者是线性的气动人工肌肉作为驱动器，这些驱动器末端通过需要固定在对应的身体部位，例如足部，小腿、大腿等位置，通过驱动器线性的拉伸运动，协助对应的身体部位发生转动(即发生角度变化)，从而在行走时为身体部位相邻的下肢关节(例如髋关节、踝关节)提供的转动的助力。但是上述方法中的助力由“本身产生线性变化(即拉伸、收缩)的驱动器”，为下肢关节提供“转动助力”的助力结构和方法，是一种间接的助力方法，需要由“线性驱动”转化为“转动助力”，这使得其助力转化效率低，导致穿戴不便。因此，现有技术有待于进一步的改进。
技术实现思路
鉴于上述现有技术中的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种下肢助力软体机器人及其控制方法，克服现有技术中的助力软体机器人采用的是间接助力的方法实现助力时，助力转化效率低的缺陷。第一方面，本实施例公开了一种下肢助力软体机器人，其中，包括：控制系统和气动系统；所述气动系统包括：气源、连接在所述气源出气端的至少一个流量控制件、连接在所述流量控制件输出端的第一驱动件和第二驱动件，以及至少两个气动人工肌肉部件；所述控制系统包括：第一控制单元、第二控制单元、与所述第一控制单元连接的信号转换器；所述第一控制单元生成预定值的气压控制信号，并将所述气压控制信号通过所述信号转换器发送至所述第一驱动件，同时所述第二控制单元根据接收到的步态周期内踝关节的角度变化信息生成开关信号，并将所述开关信号传输至所述第二驱动件；所述第一驱动件和第二驱动件根据接收到的气压控制信号控制所述人工肌肉部件中输出气压的大小和根据接收到的所述开关信号驱动所述人工肌肉部件充气和放气。可选的，所述人工肌肉部件包括弹性应变层和固定层，所述弹性应变层包含多个通过气道相贯通的充气腔室，所述固定层与所述弹性应变层相贴合，用于限定所述弹性应变层的形变量。可选的，所述多个充气腔室并排设置，并且所述固定层设置在所述弹性应变层的底部，且多个充气腔室为充气状态时，所述人工肌肉部件的整体结构呈弯曲状结构，多个充气腔室为未充气状态时，所述人工肌肉部件的整体结构呈长方体结构。可选的，所述第二控制单元包括：控制芯片和与所述控制芯片相连接的继电器和分别连接在所述继电器和所述驱动件两端的升压模块；所述继电器根据所述控制芯片发出的信息产生开关信号，并将开关信号发送至升压模块；所述升压模块对所述驱动件的电压进行升压处理。可选的，所述流量控制件为比例阀，所述第一驱动件和第二驱动件为电磁阀，所述信号转换器为PWM至模拟转换器。可选的，所述第一驱动件包括：对称设置的第一阀门口和第三阀门口，以及设置在所述第一阀门口和第三阀门口之间的第二阀门口；所述第二驱动件包括：对称设置的第四阀门口和第六阀门口，以及设置在所述第四阀门口和第六阀门口之间的第五阀门口；其中，所述第三阀门口和第五阀门口相连接；所述第一阀门口连接所述流量控制件，所述第六阀门连接气动人工肌肉部件。可选的，所述机器人还包括：用于装配所述人工肌肉部件的弹性织物袋；所述弹性织物袋的长度与所述人工肌肉部件的相适配。第二方面，本实施例还公开了一种下肢助力软体机器人的控制方法，其中，应用于所述的下肢助力软体机器，包括：所述第一控制单元生成预定值的气压控制信号，并将所述气压控制信号发送至所述第一驱动件，所述第一驱动件和第二驱动件根据接收到的气压控制信号控制所述人工肌肉部件中输出气压的大小；同时，所述第二控制单元根据接收到的步态周期内踝关节的角度变化信息生成开关信号，并将所述开关信号传输至所述第二驱动件；所述第一驱动件和第二驱动件根据接收到的所述开关信号驱动所述人工肌肉部件充气和放气。可选的，所述第二控制单元包括：控制芯片和与所述控制芯片相连接的继电器；所述第二控制单元根据接收到的步态周期内踝关节的角度变化信息生成开关信号的步骤包括：若处于每个步态周期内的踝关节背屈角度变化，则继电器发出控制第一驱动件得电，第二驱动件失电的开关信号；若处于每个步态周期内的踝关节跖屈角度变化，则继电器发出控制第二驱动件得电，第一驱动件失电的开关信号。可选的，所述第一驱动件和第二驱动件根据接收到的所述开关信号驱动所述人工肌肉部件充气和放气的步骤包括：当第一驱动件得电，第二驱动件失电，则所述第一驱动件的第一阀门口和第三阀门口相通，第二阀门口紧闭，第二驱动件的第五阀门口和第六阀门口相通，第四阀门口紧闭，此时所述人工肌肉部件处于充气状态；当第一驱动件失电、第二驱动件得电，则所述第一驱动件的第一阀门口和第二阀门口相通，第三阀门口紧闭，第二驱动件的第四阀门口和第六阀门口相通，第五阀门口紧闭，此时所述人工肌肉部件处于放气状态。有益效果，本专利技术提供了一种下肢助力软体机器人及其控制方法，所述机器人包括：气源、至少一个流量控制件、第一驱动件、第二驱动件，至少两个气动人工肌肉部件、第一控制单元、第二控制单元、与所述第一控制单元连接的信号转换器；所述第一控制单元控制所述人工肌肉部件中输出气压的大小，同时所述第二控制单元发送开关信号控制驱动件驱动所述人工肌肉部件充气和放气。本专利技术实施例所提供的软体机器人通过对人体肌肉部件中气体量的控制，以及对其中气体的充放进行控制，为人体脚踝行走时提供生物力矩，实现辅助下肢关节运动。由于本实施例提供的机器人及其控制方法以气动人工肌肉为基础实现对下肢助力，因此助力转化效率高，为用户的行走提供了便利。附图说明图1是本专利技术所提供的所述下肢助力软体机器人的结构原理框图；图2是本专利技术例所述软体机器人在具体应用时的结构示意图；图3是本专利技术实施例中第一驱动件和第二驱动件的连接示意图；图4a是本专利技术实施例中气动人工肌肉未充气时整体结构示意图；图4b是本专利技术实施例中气动人工肌肉单独腔室未充气时的结构示意图；图4c是本专利技术实施例中气动人工肌肉三个相邻单独腔室充气时的结构示意图图5是本专利技术实施例中气动人工肌肉整体充气后的结构示意图；图6是本专利技术实施例中PAM顶层外部模具结构示意图；图7是本专利技术实施例中PAM底层模具结构示意图；图8是本专利技术实施例中PAM顶层内部模具结构示意图；图9是本专利技术实施例中下肢助力软体机器人的控制方法步骤流程图；图10是本专利技术实施例中2.5s/GC踝关节曲线变化图图11本专利技术实施例中2s/GC踝关节曲线变化图图12本专利技术实施例中67s/GC踝关节曲线变化图图13本专利技术实施例中2.5s/GC的PAM控制策略图图14本专利技术实施例中2s/GC的PAM控制策略图图15本专利技术实施例中1.67s/GC的PAM控制策略图具体实施方式为使本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种下肢助力软体机器人，其特征在于，包括：控制系统和气动系统；/n所述气动系统包括：气源、连接在所述气源出气端的至少一个流量控制件、连接在所述流量控制件输出端的第一驱动件和第二驱动件，以及至少两个气动人工肌肉部件；/n所述控制系统包括：第一控制单元、第二控制单元、与所述第一控制单元连接的信号转换器；/n所述第一控制单元生成预定值的气压控制信号，并将所述气压控制信号通过所述信号转换器发送至所述第一驱动件，同时所述第二控制单元根据接收到的步态周期内踝关节的角度变化信息生成开关信号，并将所述开关信号传输至所述第二驱动件；/n所述第一驱动件和第二驱动件根据接收到的气压控制信号控制所述人工肌肉部件中输出气压的大小和根据接收到的所述开关信号驱动所述人工肌肉部件充气和放气。/n

【技术特征摘要】
1.一种下肢助力软体机器人，其特征在于，包括：控制系统和气动系统；
所述气动系统包括：气源、连接在所述气源出气端的至少一个流量控制件、连接在所述流量控制件输出端的第一驱动件和第二驱动件，以及至少两个气动人工肌肉部件；
所述控制系统包括：第一控制单元、第二控制单元、与所述第一控制单元连接的信号转换器；
所述第一控制单元生成预定值的气压控制信号，并将所述气压控制信号通过所述信号转换器发送至所述第一驱动件，同时所述第二控制单元根据接收到的步态周期内踝关节的角度变化信息生成开关信号，并将所述开关信号传输至所述第二驱动件；
所述第一驱动件和第二驱动件根据接收到的气压控制信号控制所述人工肌肉部件中输出气压的大小和根据接收到的所述开关信号驱动所述人工肌肉部件充气和放气。


2.根据权利要求1所述的下肢助力软体机器人，其特征在于，所述人工肌肉部件包括弹性应变层和固定层，所述弹性应变层包含多个通过气道相贯通的充气腔室，所述固定层与所述弹性应变层相贴合，用于限定所述弹性应变层的形变量。


3.根据权利要求2所述的下肢助力软体机器人，其特征在于，所述多个充气腔室并排设置，并且所述固定层设置在所述弹性应变层的底部，且多个充气腔室为充气状态时，所述人工肌肉部件的整体结构呈弯曲状结构，多个充气腔室为未充气状态时，所述人工肌肉部件的整体结构呈长方体结构。


4.根据权利要求1所述的下肢助力软体机器人，其特征在于，所述第二控制单元包括：控制芯片和与所述控制芯片相连接的继电器和分别连接在所述继电器和所述第二驱动件两端的升压模块；
所述继电器根据所述控制芯片发出的信息产生开关信号，并将开关信号发送至升压模块；
所述升压模块对所述第一驱动件和第二驱动件的电压进行升压处理。


5.根据权利要求4所述的下肢助力软体机器人，其特征在于，所述流量控制件为比例阀，所述第一驱动件和第二驱动件为电磁阀，所述信号转换器为PWM至模拟转换器。


6.根据权利要求4或5所述的下肢助力软体机器人，其特征在于，所述第一驱动件包括：对称设置的第一阀门口和第三阀门口，以及设置在所述第一阀门口和第三阀门口之间的第二阀门口；...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡新尧，曲行达，罗闯，贾利瑶，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44