下肢外骨骼辅助机器人中层控制器制造技术

本发明专利技术公开下肢外骨骼辅助机器人中层控制器，涉及外骨骼辅助领域。该下肢外骨骼辅助机器人中层控制器，包括有限状态机，在任意时刻都处于有限状态集合中的某一状态，包括以下步骤：S1、确立状态；S2、坐立动作的状态流程；S3、各关节角度的计算方式；S4、绘制轨迹曲线。该下肢外骨骼辅助机器人中层控制器，实际轨迹曲线和有限状态机产生的目标轨迹曲线的角度误差在10度范围内，均方根误差(RMSE)值较小，说明有限状态机所产生的目标轨迹曲线是准确的，所设计的有限状态机是可靠的。所设计的有限状态机是可靠的。所设计的有限状态机是可靠的。

【技术实现步骤摘要】
下肢外骨骼辅助机器人中层控制器


[0001]本专利技术涉及外骨骼辅助
，具体为下肢外骨骼辅助机器人中层控制器。

技术介绍

[0002]控制算法作为外骨骼机器人运行的关键，决定了机器人的功能和主要性能。控制系统分为感知、决策、执行3个层次。感知过程是指通过外骨骼机器人所匹配的传感器，获取外骨骼机器人在运动过程中的步态、患者身体生理特征及外部环境信息。决策过程是基于感知数据进行实时分析，负责接收和发送控制指令。执行过程是由伺服电机、驱动器、传感器和编码器组成，能实现对关节角度等信息的采集驱动。
[0003]目前，根据控制参数的不同，外骨骼控制类型可分为基于位置的控制、基于力信息的人机交互控制、基于生物电信号的人机交互控制和智能控制。其中，基于位置的控制策略可分为轨迹跟踪控制、骨盆控制；基于力信息的人机交互控制策略可分为阻抗控制、力/位混合控制、灵敏度放大控制、零力矩点控制、地面反作用力控制；基于生物电信号的人机交互控制策略可分为肌电控制、脑电控制；智能控制策略分为模糊控制、神经网络控制。
[0004]基于位置的控制策略控制方法简单，但需要根据准确的人体关节运动信息进行轨迹规划，否则容易对人体造成二次伤害。基于力信息的控制策略通过人机间力信息实现力控制，具有一定的柔顺性，但需要安装大量传感器，并且失去了一定的系统精确性和稳定性。基于人体生物电信号的控制可以准确预测患者的运动趋势，快速驱动外骨骼运动，但电信号的测量和特征提取问题仍需提高。智能控制策略有效地弥补了各种单一控制策略的缺点，实现了系统的自适应性。随着技术的发展和人们对产品要求的提高，运用以往单一经典控制理论不能较好地实现产品要求，一些智能化控制策略更符合发展趋势。因此我们提出了下肢外骨骼辅助机器人中层控制器。

技术实现思路

[0005](一)解决的技术问题
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了下肢外骨骼辅助机器人中层控制器，解决了单一控制策略均具有其各自不同的缺点的问题。
[0007](二)技术方案
[0008]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：下肢外骨骼辅助机器人中层控制器，包括有限状态机，在任意时刻都处于有限状态集合中的某一状态，包括以下步骤：
[0009]S1、确立状态；
[0010]S2、坐立动作的状态流程；
[0011]S3、各关节角度的计算方式；
[0012]S4、绘制轨迹曲线。
[0013]优选的，所述确立状态：初始化有限状态机
[0014]有限状态机包含的状态：S＝(0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11)
[0015]输入集：
[0016]I＝{heel
pos
，toe
pos
，thorax
pos
，ankle
pos
，hip
or
，knee
or
，ankle
or
，height，a
x
，a
z
，leg，thigh，thorax，v}
[0017]heel代表髋关节，toe代表膝关节，thorax代表胸；
[0018]下标pos代表位置；下标or代表方向；
[0019]height代表从髋关节到脚踝的距离，代表该距离在x轴方向的分量，代表该距离在z轴方向的分量；v代表运动前进的速度；
[0020]输出集：
[0021]O＝{o
H
，o
K
，o
A
}
[0022]OH：髋关节目标轨迹曲线
[0023]OK：膝关节目标轨迹曲线
[0024]OA：踝关节目标轨迹曲线
[0025]状态转移函数：
[0026][0027]优选的，所述坐立动作的状态流程包括坐(状态0)、向前倾(状态1)、动量(状态2)、向前运动(状态3)、向上运动(状态4)、稳定(状态5)、站立(状态6)、向前倾(状态7)、向下运动(状态8)、向后运动(状态9)、稳定(状态10)和向后倾斜(状态11)。
[0028]优选的，所述坐(状态0)：此状态下人体处于坐着的状态；一般情况下，使用者会使用压力传感器测量人体此时髋关节、膝关节和踝关节的初始方向角度值，并储存于控制系统中；
[0029]输出为：
[0030]o
H0
(t)＝hip
or initial
[0031]O
K0
(t)＝knee
or initial
[0032]o
A0
(t)＝ankle
or initial
；
[0033]所述向前倾(状态1)：脚踝和臀部开始弯曲，膝盖伸展，使身体的重心向前移动；从此刻状态开始，髋关节、膝关节和踝关节的目标参考轨迹将以多项式函数的形式呈现；考虑到每个状态下人体的运动速度不同，因此为了确保得到的目标轨迹曲线是光滑的，每个状态之间角度输出值之差我们记为部分；对应髋关节部分，对应膝关节部分，对应踝关节部分；一旦髋关节达到一定的弯曲程度，状态1即将停止；
[0034]输出为：
[0035]o
H1
(t)＝210118t6+311664t5‑
I67019t4+37612t3‑
2909.8t2+58.223t+18.8
‑
or
H1 offset
[0036]o
K1
(t)＝166.43t2‑
14.391t
‑
23.1
‑
or
K1 offset
[0037]o
A1
(t)＝345.77t3‑
219.7t2+4.1764t
‑
14
‑
or
A1 offset
。
[0038]优选的，所述动量(状态2)：此状态下，髋关节处于最大屈曲，目标轨迹保持不变，记为O
H1
(t
last
)；
[0039]膝关节伸展和踝关节屈曲使得身体重心向前移动；此状态下，膝关节的
‘
offset
’
部分会进行重新计算，踝关节的
‘
offset
’
部分暂时保持不变；膝关节的目标轨迹曲线将是一条斜率恒定的直线；此状态在脚踝的屈曲达到最大程度时结束；
[0040]输出为：
[0041]o
H2
(t)＝o
Hs1
(t
last
)
[0042]o
K2
(t)＝130t
‑
or
K2offset
[0043]o
A2
(t)＝345.77t3‑
219.7t2+4.1764t...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.下肢外骨骼辅助机器人中层控制器，包括有限状态机，在任意时刻都处于有限状态集合中的某一状态，其特征在于，包括以下步骤：S1、确立状态；S2、坐立动作的状态流程；S3、各关节角度的计算方式；S4、绘制轨迹曲线。2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼辅助机器人中层控制器，其特征在于：所述确立状态：初始化有限状态机有限状态机包含的状态：S＝(0，1，2，3，4，5，6，7，8，10，11)输入集：I＝{heel
pos
，toe
pos
，thorax
pos
，ankle
pos
，hip
or
，knee
or
，ankle
or
，height，a
x
，a
z
，leg，thigh，thorax，v}heel代表髋关节，toe代表膝关节，thorax代表胸；下标pos代表位置；下标or代表方向；height代表从髋关节到脚踝的距离，代表该距离在x轴方向的分量，代表该距离在z轴方向的分量；v代表运动前进的速度；输出集：O＝{o
H
，o
K
，o
A
}O
H
：髋关节目标轨迹曲线O
K
：膝关节目标轨迹曲线O
A
：踝关节目标轨迹曲线状态转移函数：3.根据权利要求1所述的下肢外骨骼辅助机器人中层控制器，其特征在于：所述坐立动
作的状态流程包括坐(状态0)、向前倾(状态1)、动量(状态2)、向前运动(状态3)、向上运动(状态4)、稳定(状态5)、站立(状态6)、向前倾(状态7)、向下运动(状态8)、向后运动(状态9)、稳定(状态10)和向后倾斜(状态11)。4.根据权利要求3所述的下肢外骨骼辅助机器人中层控制器，其特征在于：所述坐(状态0)：此状态下人体处于坐着的状态；一般情况下，使用者会使用压力传感器测量人体此时髋关节、膝关节和踝关节的初始方向角度值，并储存于控制系统中；输出为：O
H0
(t)＝hip
or initial
O
K0
(t)＝knee
or initial
O
A0
(t)＝ankle
or initial
；所述向前倾(状态1)：脚踝和臀部开始弯曲，膝盖伸展，使身体的重心向前移动；从此刻状态开始，髋关节、膝关节和踝关节的目标参考轨迹将以多项式函数的形式呈现；考虑到每个状态下人体的运动速度不同，因此为了确保得到的目标轨迹曲线是光滑的，每个状态之间角度输出值之差我们记为
‘
offset
’
部分；or
H1offset
对应髋关节部分，or
K1offset
对应膝关节部分，or
A1offset
对应踝关节部分；一旦髋关节达到一定的弯曲程度，状态1即将停止；输出为：o
H1
(t)＝210118 t6+311664t5‑
167019t4+37612 t3ꢀ‑
2909.8t2+58.223 t+18.8
‑
or
H1 offset
o
K1
(t)＝166.43t2‑
14.391t
‑
23.1
‑
or
K1 offset
o
A1
(t)＝345.77t3‑
219.7t2+4.1764t
‑
14
‑
or
A1 offset
。5.根据权利要求3所述的下肢外骨骼辅助机器人中层控制器，其特征在于：所述动量(状态2)：此状态下，髋关节处于最大屈曲，目标轨迹保持不变，记为O
H1
(t
last
)；膝关节伸展和踝关节屈曲使得身体重心向前移动；此状态下，膝关节的
‘
offset
’
部分会进行重新计算，踝关节的
‘
offset
’
部分暂时保持不变；膝关节的目标轨迹曲线将是一条斜率恒定的直线；此状态在脚踝的屈曲达到最大程度时结束；输出为：o
H2
(t)＝o
Hs1
(t
last
)o
K2
(t)＝130t
‑
or
K2 offset
o
A2
(t)＝345.77t3‑
219.7t2+4.1764t
‑
14
‑
or
A1 offset
；所述向前运动(状态3)：此状态下，踝关节达到最大屈曲且保持不变，髋关节部分开始慢慢伸展，对应的目标轨迹曲线为一条二次函数；然而在此状态下，身体重心主要依靠膝关节的伸展向前运动；当身体重心在踝关节前7厘米的位置时，此状...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭桐睿，穆罕默德，
申请(专利权)人：无锡音瓶科技有限公司，
类型：发明
国别省市：