一种腰部外骨骼机器人系统及其助力控制方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114750133A(43)申请公布日2022.07.15(21)申请号202210415998.6(22)申请日2022.04.20(71)申请人中国科学院深圳先进技术研究院地址518055广东省深圳市南山区深圳大学城学苑大道1068号(72)发明人李鹏飞徐克锋吴新宇王大帅孙健铨李金科张硕傅睿卿(74)专利代理机构北京市诚辉律师事务所11430专利代理师朱伟军耿慧敏(51)Int.Cl.B25J9/00(2006.01)B25J9/16(2006.01)权利要求书4页说明书9页附图6页(54)发明名称一种腰部外骨骼机器人系统及其助力控制方法(57)摘要本发明涉及一种腰部外骨骼机器人系统及其助力控制方法。一种腰部外骨骼机器人系统，包括肩部绑缚结构、背部结构、腰背连接杆、两个电机外壳、腰部绑缚结构、臀部绑缚结构、两个大腿支撑杆、两个腿部绑缚结构和控制硬件系统，所述背部结构与腰背连接杆固定连接，肩部绑缚结构分别连接背部结构与腰背连接杆，腰背连接杆的两端分别连接一个电机外壳；每个电机外壳分别内嵌电机；臀部绑缚结构、左、右大腿支撑杆的两端分别与两个电机连接，两个大腿支撑杆对应连接两个大腿绑缚结构；控制硬件系统包括电池、主控板、驱动器、左编码器和右编码器。本发明提出一种腰部外骨骼机器人系统，传感器较少、成本较低、功能多样化、系统稳定可靠。CN114750133ACN114750133A权利要求书1/4页1.一种腰部外骨骼机器人系统，其特征在于：包括肩部绑缚结构、背部结构、腰背连接杆、两个电机外壳、腰部绑缚结构、臀部绑缚结构、两个大腿支撑杆、两个腿部绑缚结构和控制硬件系统；所述背部结构与腰背连接杆固定连接，肩部绑缚结构分别连接背部结构与腰背连接杆，腰背连接杆的两端分别连接一个电机外壳；每个电机外壳分别内嵌电机；臀部绑缚结构、左、右大腿支撑杆的两端分别与两个电机连接，两个大腿支撑杆对应连接两个大腿绑缚结构；控制硬件系统包括：电池、主控板、驱动器、左编码器和右编码器；电池、主控板、驱动器设置在背部结构内；由电池给驱动器和主控板供电，主控板和驱动器互相通信，驱动器通过PWM控制两个电机；两个电机上分别配置左、右编码器，反馈髋关节的位置和速度信息给主控板，起身助力控制器或行走助力控制器生成所对应的力矩，给穿戴者提供合适的助力。2.基于如权利要求1所述的腰部外骨骼机器人系统的助力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：开机并使能，初始化参数；S2：实时获取编码器的数据，将编码器的值转换成位置或速度，并根据位置和速度数据计算左、右腿相角；S3：通过对位置、速度和相角的相关信息做阈值区分来进行状态分类：S3.1：以站立状态为最高优先级，先判断是否是站立状态，若是则继续循环判断站立状态，若否则转到S3.2；S3.2：判断是否是弯腰起身状态，若是进入S3.3；若否则转到S3.4；S3.3：进行起身助力控制，起身助力结束后，跳回S3.1继续判断；S3.4：判断是否是行走状态，若是行走状态，进入S3.5；若否则跳回S3.6继续判断；S3.5：进行行走助力控制，助力结束后，跳回S3.1继续判断；S3.6：空状态，停止助力。3.根据权利要求2所述的一种腰部外骨骼机器人系统的助力控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，站立状态是通过位置、速度的值进行区分；弯腰起身状态是通过位置、速度和相角的值进行区分；行走状态用位置、速度和相角的值进行区分。4.根据权利要求3所述的一种腰部外骨骼机器人系统的助力控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，通过以下将编码器的值E转换成位置或速度：其中E为驱动板所采集编码器的值，z为电机转一圈所对应的编码器的值，360°为一圈的角度，δ为位置或速度。5.根据权利要求4所述的一种腰部外骨骼机器人系统的助力控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，利用公式(2)、公式(3)分别计算左、右腿相角：2CN114750133A权利要求书2/4页其中：PL为当前左腿位置，PR为当前右腿位置，PLLast为左腿上一时刻位置，PRLast为右腿上一时刻位置，VL为当前左腿速度，VR为当前右腿速度，φL为当前左相角值，φR为当前右相角值。6.根据权利要求5所述的一种腰部外骨骼机器人系统的助力控制方法，其特征在于：所述S3.2中的弯腰起身状态包括弯腰和起身两个阶段。7.根据权利要求6所述的一种腰部外骨骼机器人系统的助力控制方法，其特征在于：所述步骤S3.3中的起身助力控制过程包括以下步骤：S3.3.1：进行起身控制的初始化；S3.3.2：在穿戴者弯腰到最低点时，记录最低点此刻的位置Plow，在穿戴者从最低点起身后10ms内，由最终位置与起始位置通过公式4进行自适应助力，直到回到初始位置停止助力，τ1为所