老年人外骨骼助行机器人及防摔倒步态的仿生控制方法

摘要

本发明涉及一种老年人外骨骼助行机器人及防摔倒步态的仿生控制方法。本发明包括用于连接至使用者下半身，辅助使用者完成站立行走动作的外骨骼躯干部件，用于连接外骨骼躯干部件，使得各个外骨骼躯干部件之间实现弯曲和伸展的关节部件，能够实时获取机器人行走过程中的加速度、角速度信号，对信号进行处理并生成相应运动信号进而控制外骨骼躯干部件动作，完成运动生成和运动反解的动作控制单元，辅助单元以及用于为整个装置提供能源的电源。本发明结构紧凑，控制效果好，实时获取三个方向的加速度和两个方向的角速度，更全面地对外骨骼助行机器人摔倒状态进行判断并融合了人体的姿势反射机理，适用于未知的、非结构化的复杂地形。

主权项

老年人外骨骼助行机器人，包括：外骨骼躯干部件，用于连接至使用者下半身，辅助使用者完成站立行走动作，包括大腿部件、小腿部件以及脚板；关节部件，用于连接外骨骼躯干部件，使得各个外骨骼躯干部件之间实现弯曲和伸展，包括连接使用者腰部与大腿部件的髋关节部件，连接大腿部件与小腿部件的膝关节部件，连接小腿部件与脚板的踝关节部件；辅助单元，包括绑在使用者腰部并固定连接于髋关节部件上的腰带，绑在使用者大腿上并固定连接于大腿部件上的绷带以及用于保护使用者膝关节，固定连接于膝关节部件上的软垫护膝；以及用于为整个装置提供能源的电源，所述机器人还包括能够实时获取机器人行走过程中的加速度、角速度信号，对信号进行处理并生成相应运动信号进而控制外骨骼躯干部件动作，完成防摔过程的动作控制单元；所述的动作控制单元包括可实时获取行走过程的加速度与角速度的传感器，可对传感器收集的信号进行信号调理和数模转换的信号处理器，与髋关节部件相连并生成运动信号控制髋关节部件的运动控制器，进行动作生成与运动反解，并将动作命令传输至运动控制器的中央处理器，一端与髋关节部件相连，另一端与大腿部件相连的伺服电机，一端固连在大腿部件上，另一端固连在小腿部件上并带动小腿部件进行协调运动的气动人工肌肉；所述的传感器包括实时获取行走过程加速度的加速度传感器与实时获取行走过程角速度的角速度传感器，上述传感器均安装于外骨骼助行机器人左腿和右腿交叉处；所述的加速度、角速度是以加速度传感器和角速度传感器的安装点为坐标系oxyz原点o，外骨骼助行机器人的正前方为x轴，外骨骼助行机器人的正右方为y轴，垂直于地面的方向为z轴而获取的数值；其特征在于：所述老年人外骨骼助行机器人的动作控制单元通过安装在外骨骼助行机器人左腿和右腿交叉处的加速度传感器，实时获取外骨骼助行机器人行进方向前后即所述x轴、左右即所述y轴、上下即所述z轴的加速度a_x、a_y、a_z；绕z轴的转动属于外骨骼助行机器人的自转，与摔倒姿态的关系很小，为了减少冗余，通过安装在外骨骼助行机器人左腿和右腿交叉处的角速度传感器，只获取外骨骼助行机器人侧倾即x轴，俯仰即y轴的角速度ω_x、ω_y；同时对获取的加速度和角速度与其相对应的预设阈值进行比较，当加速度a_x、a_y、a_z至少有一个大于相应方向上的设定阈值，或者角速度ω_x、ω_y至少有一个大于相应方向上的设定阈值，则表明外骨骼助行机器人即将发生摔倒，生成动作，防止摔倒，即在原有正常运动步态的基础上，叠加根据人体的姿势反射机理而建立的姿势反射模型，所述外骨骼助行机器人的姿势反射叠加模型：其中：t表示时间，表示外骨骼助行机器人正常运动模型，表示外骨骼助行机器人姿势反射模型，A表示外骨骼助行机器人的运动幅值，T表示外骨骼助行机器人的运动周期，T_p表示外骨骼助行机器人的姿势反射运动周期，α表示外骨骼助行机器人左腿与右腿髋关节的相位角度差，β表示外骨骼助行机器人同腿的膝关节与髋关节的相位角度差，φ表示姿势反射的延时相位角度差，下标h表示外骨骼助行机器人的髋关节，下标k表示外骨骼助行机器人的膝关节，下标p表示姿势反射，表示外骨骼助行机器人的髋关节正常运动模型，表示外骨骼助行机器人的膝关节正常运动模型，表示外骨骼助行机器人的髋关节姿势反射模型，表示外骨骼助行机器人的膝关节姿势反射模型，A_h表示外骨骼助行机器人的正常运动髋关节运动幅值，A_k表示外骨骼助行机器人的正常运动膝关节运动幅值，A_h，p表示外骨骼助行机器人的髋关节姿势反射运动幅值，A_k,p表示外骨骼助行机器人的膝关节姿势反射运动幅值。