下肢外骨骼机器人控制系统、方法以及下肢外骨骼机器人.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115192001A(43)申请公布日2022.10.18(21)申请号202210620209.2(22)申请日2022.06.01(71)申请人江汉大学地址430056湖北省武汉市沌口经济技术开发区新江大路8号(72)发明人吴极佶轩亮杨轩林壮洪文雄(74)专利代理机构北京众达德权知识产权代理有限公司11570专利代理师田灵菲(51)Int.Cl.A61B5/11(2006.01)A61B5/389(2021.01)权利要求书2页说明书8页附图3页(54)发明名称下肢外骨骼机器人控制系统、方法以及下肢外骨骼机器人(57)摘要本申请提供了下肢外骨骼机器人控制系统、方法以及下肢外骨骼机器人，用于向为下肢外骨骼机器人引入一运动优化机制，以用户与下肢外骨骼机器人间的人机交互力作为输入量，进行模糊自适应阻抗控制，使得下肢外骨骼机器人具备外力顺应性及柔性。系统在用户穿戴下肢外骨骼机器人并开始运动后，环境感知模块采集压力数据和姿态数据；控制模块以两者为输入量，进行模糊PID控制，并控制驱动模块调整下肢外骨骼机器人的运动状态；运动意图感知模块采集人机交互力；控制模块将人机交互力与运动数据存储模块预先存储的标准运动数据进行比对，当人机交互力超出标准运动数据的标准范围时，进行模糊自适应阻抗控制，并控制驱动模块朝着外力的方向偏移目标角度。CN115192001ACN115192001A权利要求书1/2页1.一种下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述系统包括环境感知模块、控制模块、驱动模块、运动意图感知模块和运动数据存储模块；在用户穿戴下肢外骨骼机器人并开始运动后，所述环境感知模块采集压力数据和姿态数据；所述控制模块以所述压力数据和所述姿态数据两者为输入量，进行模糊PID控制，并通过对应的模糊PID控制指令控制所述驱动模块调整所述下肢外骨骼机器人的运动状态，达到初步配合用户运动的效果；所述运动意图感知模块采集人机交互力；所述控制模块将所述人机交互力与所述运动数据存储模块预先存储的标准运动数据进行比对，当所述人机交互力超出所述标准运动数据的标准范围时，将所述人机交互力作为输入量，进行模糊自适应阻抗控制，调整阻抗控制器的阻尼参数以及弹簧系数，并通过对应的模糊阻抗指令控制所述驱动模块朝着外力的方向偏移目标角度，使得所述下肢外骨骼机器人具备外力顺应性及柔性，达到优化运动细节的效果。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括运动捕捉系统，所述运动捕捉系统在用户运动过程中采集包括关节运动角度、角速度、角加速度和肢体运动状态的步态数据，再通过相关数据加工得到所述标准运动数据并储存于所述运动数据存储模块。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述运动意图感知模块包括采用贴片式肌电传感器，分别布置于左大腿、左小腿、右大腿、右小腿的运动肌肉群位置；所述运动意图感知模块还包括播模式压力传感器，分别布置于左大腿前后位置、右大腿前后位置、左小腿前后位置和右小腿前后位置。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环境感知模块包括两个足底压力传感器，分别布置在下肢外骨骼机器人的两脚底板位置；所述环境感知模块还包括姿态传感器，分别布置在左右膝关节位置、左右踝关节处位置和背部中央位置。5.一种下肢外骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述方法应用于下肢外骨骼机器人控制系统，所述系统包括环境感知模块运、控制模块、驱动模块、动意图感知模块和运动数据存储模块，所述方法包括：在用户穿戴下肢外骨骼机器人并开始运动后，所述环境感知模块采集压力数据和姿态数据；所述控制模块以所述压力数据和所述姿态数据两者为输入量，进行模糊PID控制，并通过对应的模糊PID控制指令控制所述驱动模块调整所述下肢外骨骼机器人的运动状态，达到初步配合用户运动的效果；所述运动意图感知模块采集人机交互力；所述控制模块将所述人机交互力与所述运动数据存储模块预先存储的标准运动数据进行比对，当所述人机交互力超出所述标准运动数据的标准范围时，将所述人机交互力作为输入量，进行模糊自适应阻抗控制，调整阻抗控制器的阻尼参数以及弹簧系数，并通过对应的模糊阻抗指令控制所述驱动模块朝着外力的方向偏移目标角度，使得所述下肢外骨骼机器人具备外力顺应性及柔性，达到优化运动细节的效果。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述系统还包括运动捕捉系统，方法还包2CN115192001A权利要求书2/2页括：所述运动捕捉系统在用户运动过程中采集包括关节运动角度、角速度、角加速度和肢体运动状态的步态数据，再通过相关数据加工得到所述标准运动数据并储存于所述运动数据存储模块。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述运动意图感知模块包括采用贴片式肌电传感器，分别布置于左