用于生成外骨骼轨迹和使外骨骼运动的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于生成具有两条腿的外骨骼(1)的轨迹的方法，每条腿有一只脚，所述方法包括通过服务器(10a)的数据处理装置(11a)实现以下步骤：(a)获得定义所述外骨骼(1)的给定步态的步态参数的至少一个n元组；(b)为步态参数的所述n元组生成所述外骨骼(1)的至少一个周期性基本轨迹，使得所述周期性基本轨迹依次包括第一轨迹部分和第二轨迹部分，使得在所述第一轨迹部分中每只脚执行纯旋转，在所述第二部分中仅一只脚执行平移。二部分中仅一只脚执行平移。二部分中仅一只脚执行平移。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于生成外骨骼轨迹和使外骨骼运动的方法


[0001]本专利技术涉及外骨骼型机器人领域。
[0002]更确切地说，涉及一种用于生成外骨骼轨迹的方法和用于使外骨骼运动的方法。

技术介绍

[0003]最近，对于有严重行动障碍的人，如截瘫患者，出现了被称为外骨骼(exoskeleton)的辅助行走装置，这是操作者(人类使用者)通过紧固件系统“穿上”的外部机器人装置，将外骨骼的运动与他们自己的运动联系起来。下肢的外骨骼有几个关节，一般至少在膝盖和臀部，以再现步态运动。致动器使移动这些关节成为可能，而这些关节又使操作者移动。界面系统允许操作员向外骨骼发出命令，命令系统将这些命令转换为致动器的命令。传感器也是该设备的补充。
[0004]这些外骨骼构成了与轮椅相比的进步，因为它们允许操作员站起来行走。外骨骼不再受到轮子的限制，理论上可以在大多数非平坦的环境中移动：与腿相反，轮子不可能跨越实质性的障碍，如台阶、楼梯、过高的障碍等。
[0005]然而，在使用过程中，这些外骨骼没有一个能执行自主的人类步态，即在各种地形上都是稳定和可行的，即拟人化的和无辅助的。
[0006]在大多数情况下，这些限制是由设备不可能管理平衡或步态本身的方向而实现的。然后，这两项任务通常被转移到操作者身上，由他们通过拐杖来完成，例如Rewalk的US7153242号专利或Ekso
‑
Bionics的US2016038371号申请中就提出了这一点。
[0007]Rex
‑
Bionics公司专利EP2231096描述了唯一一种可以在没有外部帮助的情况下为无法确保自身稳定性的人使用的外骨骼。第[0122]段描述的控制原理清楚地解释了将压力中心(地面对系统施加的反作用力矩为零的物理点)从支撑多边形的一部分(与地面接触点的凸面包络)转移到支撑多边形的另一部分的必要性。
[0008]这种限制造成了极慢的步态(每分钟几米，而正常的步态超过2公里/小时，即每分钟33米)，步幅很短(小于30厘米，而正常的步幅为50至80厘米)，在此期间，支撑脚一直与地面保持平坦接触。因此可以进入的环境类型是有限的，因为不平坦的地形事实上被排除在外。同样，最轻微的障碍物，例如石头，一个小物体，如果它在给定时刻将脚踩在上面，就会产生系统失衡的风险，并最终导致系统坠落。
[0009]相反，“自然”人类步态的特点是一系列阶段，在这些阶段中，双脚可以平放在地面、空中或在地面上滚动，如图1所示。这种滚动脚的能力对于步态至关重要，因为它使人们有可能迈出更大的步伐，并允许在各种地形上保持稳定。
[0010]然而，上述所谓的第一代外骨骼没有被致动的脚，或将支撑脚保持在地面上。
[0011]对于两足类人机器人或机器人设备来说，执行这种滚动确实很复杂。即使提供如申请WO2015140353中提出的具有断裂的足部结构，当压力中心达到支撑多边形的极限时，系统开始围绕该点滚动，因此不再处于静态平衡。
[0012]在步态的情况下，脚的滚动涉及支撑脚处与地面的部分失去接触，并产生几个后
果：
[0013]‑
支撑多边形(支撑面)减少，可能减少到一个点，使得压力中心很难甚至不可能维持在支撑多边形内；
[0014]‑
系统处于欠致动的情况，即它不能再在其所有自由度上行动。所有的运动都不再可能。
[0015]在这种情况下，传统的平足步行形式(如文件Kajita S.,K.F.(2003)《使用零力矩点的预览控制生成两足行走模式》，ICRA，(第1620
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1626页)中所述)或专利Rex
‑
Bionics EP2231096中描述的原理不再适用。
[0016]一种自然的想法是将摆动的腿放在前面，并将第二只脚放在地面上，以返回到支撑多边形并保持平衡，同时系统围绕支撑脚自由旋转，有点处于“下降”过程中。这被称为动态步态，因为身体会经历一系列不稳定的姿势，但只是短暂的(如果“停止”，则在迈步中间的人会摔倒)。
[0017]在这种动态步态方法中，使摆动的脚快速进入一个至少短暂地重新建立平衡的位置是复杂的。事实上，如果让这只脚按照预先计算好的时间配置的轨迹走，这只脚就有可能过早或过晚地落地，因为欠致动系统的行为无法控制，即使受到轻微干扰(不可能纠正稍微偏离计划的轨迹)。这可能会给操作者带来不适，使他们失去平衡，甚至导致他们跌倒，包括在简单的地形上。
[0018]正因为如此，所有第一代外骨骼(和许多仿人机器人)都试图通过保持支撑脚的平坦来避免这种类型的情况，从而对步态速度、步长、允许的地形类型和步态的总体稳定性造成上述限制。
[0019]因此，在申请WO2018130784中提出了一种新的外骨骼步态范式，它结合了“虚拟约束”和“混合零动力学”(HZD)的原则，允许快速和自然的步态，即使在困难和未计划的地形上也没有跌倒或失衡的风险。
[0020]传统上，轨迹(即每个自由度的变化)表示为时间的函数。系统的“动力学”由下面函数定义
[0021][0022]并且起始点由下面函数定义
[0023]ξ∈χ
[0024]函数f写成
[0025]x
′
t
＝f(x
t
，u
t
，t)，x0＝ξ
[0026]χ是外骨骼1的状态空间，U是控制空间，t代表时间。
[0027]相反，HZD是非被致动自由度的动力学。这种动力学被称为“零”，因为它对应于命令不能/不想执行的程度，即命令为0，并且“混合”，因为脚在地面上的冲击施加了与连续相位相交的不连续瞬时相位。
[0028]在所谓的“虚拟约束”方法中，其原理是为选择的被动自由度定义一个由变化参数配置的轨迹，不是由时间配置，而是直接根据配置，该参数称为相位变量。这种相位变量的一个例子是脚后跟
‑
臀部轴线和垂直线之间的角度，它构成了上文提到的非致动自由度。
[0029]相位变量可以定义步伐的“进度”。更准确地说，在每一步中，相位变量不断地从初始值切换到最终值，然后再次为其分配初始值：这是下一步的开始。为了方便起见，相位参
数的值可以在0和1之间归一。
[0030]变化参数的每个值对应于系统必须强制自身遵循的被致动自由度的值：这些关系(以这种方式控制的每个被致动自由度一个)被称为虚拟约束。
[0031]如果系统在可能或希望行动的自由度上完全遵循这一轨迹，换句话说，如果这些自由度的虚拟约束得到遵守，那么系统的变化就完全由遵循其自身动力学的非致动自由度决定，即HZD。
[0032]因此，对虚拟约束的良好选择可以使该动力学包含有吸引力的周期性“轨道”，即系统自然吸引的稳定轨迹。
[0033]这种方法HZD提供了极大的满足，但困难在于轨迹的生成(此外，“平足”方法也是如此)。事实上，可以观察到，与上面提到的图1中所示的自然步态相反，从脚上“几乎不滚动”本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于生成具有两条腿的外骨骼(1)的轨迹的方法，每条腿有一只脚，所述方法包括通过服务器(10a)的数据处理装置(11a)实现以下步骤：(a)获得定义所述外骨骼(1)的给定步态的步态参数的至少一个n元组；(b)为步态参数的所述n元组生成所述外骨骼(1)的至少一个周期性基本轨迹，使得所述周期性基本轨迹依次包括第一轨迹部分和第二轨迹部分，使得在所述第一轨迹部分中每只脚执行纯旋转，在所述第二部分中仅一只脚执行平移。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述基本周期性轨迹循环地重复所述第一轨迹部分然后是第二轨迹部分的顺序。3.根据权利要求1和2中任一项所述的方法，其中在所述第二轨迹部分中，执行平移的脚是初始后脚，初始前脚执行纯旋转。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述初始前脚在所述第二轨迹部分期间保持不动。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中在所述第一轨迹部分的结尾处，前脚平放在地面上。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述步骤(b)通过使用至少一个神经网络来实现。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，所述外骨骼(1)接收人类操作员，所述步骤(a)包括确定所述操作员所需的外骨骼(1)的步态参数的n元组序列。8.根据权利要求7所述的方法，其中对于所述序列的每个n元组，生成的所述外...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯坦尼斯拉斯，
申请(专利权)人：万德克拉夫特公司，
类型：发明
国别省市：