一种外骨骼机器人系统及基于运动学末端检测的控制方法

摘要

一种外骨骼机器人系统及基于运动学末端检测的控制方法，它涉及一种外骨骼机器人系统及控制方法，以解决传统肌电信号检测方法实现辅助提高人体行走，难以达到准确的控制效果，在辅助人体行走过程中抵抗自身的重力方面，人机交互性能差，没有行之有效的控制方法的问题。它包括上体后背部、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统、膝部驱动系统、脚部穿戴系统和捆绑装置；它还包括鞋垫板、后背检测壳体、九轴航姿测量模块、工控计算机、两个薄膜压力传感器、两个第一角度传感器、两个第二角度传感器、两个三轴倾角传感器和三套三维接触力检测装置；本发明用于助力行走和人体运动姿态的检测控制。

主权项

一种外骨骼机器人系统，它包括上体后背部(A)、左腿和右腿，左腿和右腿分别包括髋部驱动系统(B)、膝部驱动系统(C)、脚部穿戴系统(D)和捆绑装置(G)；上体后背部(A)包括人体后背支架(2)和负载安装板(7)，人体后背支架(2)安装在负载安装板(7)上，髋部驱动系统(B)包括外壳(22)，膝部驱动系统(C)包括小腿连接板(44)，脚部穿戴系统(D)包括U形连接板(51)、脚部橡胶鞋底(58)和两个立式支耳(55‑2)，U形连接板(51)的中部与小腿连接板(44)的下端铰接，U形连接板(51)的两端分别与两个立式支耳(55‑2)转动连接；其特征在于：它还包括鞋垫板(5)、后背检测壳体(30)、九轴航姿测量模块(35)、工控计算机、两个薄膜压力传感器(38)、两个第一角度传感器(32)、两个第二角度传感器(33)、两个三轴倾角传感器(36)和三套三维接触力检测装置；每个脚部穿戴系统(D)的U形连接板(51)与小腿连接板(44)连接的转轴上安装有第二角度传感器(33)，每个脚部穿戴系统(D)的U形连接板(51)与立式支耳(55‑2)连接的转轴上安装有第一角度传感器(32)，两个外壳(22)的端部各安装有三轴倾角传感器(36)，两个捆绑装置(G)上各安装有薄膜压力传感器(38)；三个三维接触力检测装置分别布置在人体后背板支架(2)和相应的底板(55‑1)上；每套三维接触力检测装置包括水平力传递板(6)、第一连杆(11)、第二连杆(12)、第三连杆(14)、第四连杆(15)、弹性体(17)和两个槽形支撑板(10)；所述弹性体(17)包括本体(27)、第一悬臂梁(19)、第二悬臂梁(20)、第三悬臂梁(22)、第一弹性板(21)、第二弹性板(23)、第三弹性板(18)和六个应变片(25)；本体(27)的中部加工有纵向设置的第三悬臂梁(22)，第三悬臂梁(22)的两侧的本体(27)上各固装有纵向设置的第三弹性板(18)，本体(27)的两侧分别固装有第一悬臂梁(19)和第二悬臂梁(20)，第一悬臂梁(19)的下部固装有第一弹性板(21)且二者连接为一体，第二悬臂梁(20)的下部固装有第二弹性板(23)且二者连接为一体，第一悬臂梁(19)的两侧面各粘贴有一个应变片(25)，第二悬臂梁(20)的两侧面各粘贴有一个应变片(25)，第三悬臂梁(22)的两侧面各粘贴有一个应变片(25)；每套三维接触力检测装置中的弹性体(17)布置在底板(55‑1)上，底板(55‑1)与脚部橡胶鞋底(58)或后背检测壳体(30)连接，脚部穿戴系统(D)中的两个立式支耳(55‑2)竖直设置在底板(55‑1)的两侧边上；第一连杆(11)、第二连杆(12)、第三连杆(14)和第四连杆(15)水平且平行布置；第一连杆(11)与第二连杆(12)铰接，第二连杆(12)与其中一个槽形支撑板(10)铰接，第一悬臂梁(19)插装在其中一个槽形支撑板(10)的开口内；第三连杆(14)与第四连杆(15)铰接，第三连杆(14)与剩余一个槽形支撑板(10)铰接，第二悬臂梁(20)插装在剩余一个槽形支撑板(10)的开口内；第二连杆(12)转动安装在底板(55‑1)的前端，第四连杆(15)转动安装在底板(55‑1)的后端；后背检测壳体(30)与负载安装板(7)连接，后背检测壳体(30)的背面上安装有九轴航姿测量模块(35)；底板(55‑1)的前端与所述其中一个槽形支撑板(10)连接，底板(55‑1)的后端与所述剩余一个槽形支撑板(10)连接，水平力传递板(6)与鞋垫板(5)或人体后背支架(2)连接，水平力传递板(6)的表面加工有突出部，突出部插装在第三悬臂梁(22)的端部加工的并与突出部匹配的通孔(27‑1)内；工控计算机安装有外围扩展电路，包括I/O数据采集卡和CAN卡，实现多种传感信息的采集和与关节驱动电机的通信及控制。