一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法_3

文档序号:9696480阅读:来源:国知局
(Fpr-Fpi)/Fpi>80%),
[0076]Fc>0且Fci〈Fcr(即满足 | Fci_Fcr | /Fc>40 % )
[0077]结束状态,即一脚前一脚后状态S2
[0078]C2:处于双脚平行状态下跨右脚
[0079]初始状态(切换条件)
[0080]Z膝=170?180°,Z髋=170?180° ;
[0081 ]Z前后=+5° ?+15°,Z*&=-10° ?+10°,
[0082]FPr?FPi(即满足(Fp1-Fpr)/Fpr>80 % ),
[0083]Fc>0且FCr〈Fci (即满足 | Fci_Fcr | /Fc>40 % )
[0084]结束状态,即一脚前一脚后状态S2
[0085]C3:处于左脚前右脚后状态跨右脚
[0086]初始状态(切换条件)
[0087]Z膝=170?180°,Z髋=170?180° ;
[0088]Z前后=+5° ?+15°,Z&&=-10° ?+10°,
[0089]FPr?FPi(即满足(Fp1-Fpr)/Fpr>80 % ),
[0090]Fc>0且FCr〈Fci (即满足 | Fci_Fcr | /Fc>40 % )
[0091]结束状态,即一脚前一脚后状态S2
[0092]C4:处于左脚前右脚后状态收左脚
[0093]初始状态(切换条件)
[0094]Z膝=170?180。,Z髋=170?180。,0。〈Z膝-Z髋〈5。; Ζ.=_5。?+5。,Z&&=_10。?+10°;
[0095]Fpi〈〈Fpr(即满足(Fpr-Fpi)/Fpi>80%),
[0096]Fc>0且Fci〈Fcr(即满足 | Fci_Fcr | /Fc>40 % )
[0097]结束状态,即双脚平行状态SI
[0098]C5:处于右脚前左脚后状态跨左脚
[0099]初始状态(切换条件)
[0100]Z膝=170?180。,Z髋=170?180。;
[0101 ]Z前后=+5。?+15。,Z*&=-10° ?+10。;
[0102]Fpi〈〈Fpr(即满足(Fpr-Fpi)/Fpi>80%),
[0103]Fc>0且Fci〈Fcr (即满足 | Fci_Fcr | /Fc>40 % )
[0104]结束状态,即一脚前一脚后状态S2
[0105]C6:处于右脚前左脚后状态收右脚
[0106]初始状态(切换条件)
[0107]Z膝=170?180。,2髋=170?180。,0° <Zjf-Z||<50 ; Zfpg=+5。?+10。, Z^=~10?0。;
[0108]FPr?FPi(即满足(Fp1-Fpr)/Fpr>80 % ),
[0109]Fc>0且FCr〈Fci (即满足 | Fci_Fcr | /Fc>40 % )
[0110]结束状态,即双脚平行状态SI
[0111]根据以上定义结合行走控制流程图5、6,一种可穿戴仿生外骨骼机械腿康复装置的行走控制方法,包括如下步骤:
[0112]1)第一步迈出左或右脚(初始化);图5说明了用户从双脚平行站立向一脚前一脚后状态转换的流程图。当一个用户通过腕表12选择了“行走”模式之后,控制系统11开始通过躯干倾角传感器9和脚掌支架处的压力传感器8以及拐杖的触地压力传感器14检测用户是否前倾、重心是否移动;若在指定时间T之内,用户上身前倾,并将重心往右侧移动,则右脚脚底的压力会增大,左脚的压力则会减小,倾角传感器9和压力传感器8采集到信号并将数据传输给控制模块11。控制模块11根据收到倾角传感器9和脚底的压力传感器8传来的数据,判断系统目前状态满足切换条件C1或C2,便会成功初始化步态;控制模块11控制左腿髋部电机4_1、右腿髋部电机4_2、左腿膝部电机6_1、右腿膝部电机6_2按照设定好的速度和角度转动,带动大腿支架2和小腿支架3迈出左或右脚,系统随即会记录下目前的状态为“迈出左(右)脚”,接下来进行步态的维持;若在指定时间T内没有同时检测到倾角传感器和双脚压力传感器大小的变化,即控制模块11根据倾角传感器9和压力传感器8传来的数据,判断系统目前状态不满足切换条件,则初始化步态的进程停止,用户继续维持在双脚平行站立状态;
[0113]所述迈出左或右脚的具体方式相同,只是迈出左脚时,转动的电机是用户左腿髋部电机和左腿膝部电机,检测的角度为用户左腿髋关节角度和膝关节角度;而迈出右脚时,转动的电机是用户的右腿髋部电机和右腿膝部电机,检测的角度为用户右腿髋关节角度和膝关节角度。下面以迈出右脚为例,其具体实现方式如下:
[0114]控制模块11控制右腿髋部电机4_2以加速度aO从静止匀加速至速度vO,然后以恒定速度vO转动,带动用户躯干与大腿产生相对角度运动,使躯干支架1与大腿支架2之间角度Zai减小;同时右腿膝部电机6_2开始以加速度ai从静止匀加速至速度V1(行走过程中设置νι = 2νο),然后以恒定速度Vi转动,带动大腿与小腿产生相对角度运动,使大腿支架2与小腿支架3之间的角度Z權减小,直至控制模块11检测到ZaiNl45?140°,控制右腿膝部电机6_2以加速度_ai匀减速至静止。
[0115]右腿髋部电机4_2持续转动,直至控制模块11检测到Ζ?||=165?160°,控制右腿膝部电机6_2反向转动,以加速度ai匀加速至速度至^,然后以恒定速度V1转动,带动大腿与小腿产生相对角度运动,使大腿支架2与小腿支架3之间的角度Za*增大。
[0116]控制模块11持续检测Z.,直至检测到160?157°,控制右腿髋部电机4_2以加速度-ao匀减速至静止;右腿膝部电机持续以恒定速度^转动,直至控制模块11检测到Ζ??=170?180°,控制右腿膝部电机6_2以加速度-ai匀减速至静止,迈步动作结束,用户进入右脚前左脚后。
[0117]2)持续行走控制
[0118]图6说明了用户处于一脚前一脚后状态时的步态维持进程。当用户成功迈出左或右脚后,用户处于左或右脚在前姿态,在迈出新的一步前,即迈出右或左脚前,控制模块11继续通过倾角传感器9、压力传感器8以及触地传感器14检测用户的躯干是否前倾、重心是否偏移;若在指定时间T内,用户上身倾斜并将重心侧移至左(或右)脚,倾角传感器9和压力传感器8采集到信号并将数据传输给控制模块11;控制模块11根据倾角传感器9和压力传感器8传来的数据,将判断系统目前状态满足切换条件C3(或C5),此时,控制模块将控制髋部电机和膝部电机按照设定好的速度和角度转动,带动大腿支架和小腿支架向前迈出右(或左)脚;
[0119]所述迈出左或右脚的具体方式与步骤1)中迈出左或右脚的具体方式只有一个不同之处。以迈出右脚为例,当用户的右侧两个电机按照步骤1)中的步骤迈出右脚的同时,左腿髋部电机4_1以加速度aO由静止加速至速度vO并保持匀速转动,直至检测到2細=175?178°时,控制左腿髋部电机4 j以加速度-ao匀减速至静止。其余迈右脚方式与步骤1)中所述相同。
[0120]如果在指定时间T内系统未检测到上身前倾以及重心转移,即控制模块根据倾角传感器和压力传感器传来的数据,判断系统目前状态满足状态切换条件C4(或C6),则步态维持进程停止,控制模块11将控制左腿髋部电机4_1、右腿髋部电机4_2、左腿膝部电机6_1和右腿膝部电机6_2按照设定好的速度和角度转动,带动大腿支架2和小腿支架3向后收回左(或右)脚,使用户回到双脚平行站立姿态。(收脚)
[0121]上述的收脚动作(以收左脚为例)具体过程如下:
[0122]左腿膝部电机6_1以加速度al从静止匀加速至vl,然后恒定速度vl转动,使Za*减小,直至控制模块11检测到ZagNl45?140°时,左腿膝部电机以加速度-al减速至静止并立即以加速度al加速至vl后以恒定速度vl转动,直至控制模块11检测到Zi?=170?180°,左腿膝部电机6_1以加速度-al减速至静止。在左腿膝部电机转动的同时,左腿髋部电机4_1以加速度-aO加速至-vO后保持速度不变,直至控制模块11检测到Z;at=170?180°时,左腿髋部电机4_1以加速度aO减速至静止。期间,两个电机同时转动,且设定vl = 2v0。
[0123]步骤1)、2)中所述“指定时间T”由用户的熟练度来决定,用户对这套设备的使用越熟练,“指定时间”可取更小的值。T的一般取值范围为2s-5s。
[0124]3)异常处理
[0125]倘若在初始化步态及步态维持过程中,控制模块11通过传感器返回的数据判断系统不满足C1-C6中任一个状态切换条件(用户正处于跌倒姿态或者其他未定义姿态),则系统会立即停止步态初始化进程或者步态维持进程,系统的警报装置也会发出警报。例如,压力值、躯干倾角值或电机转角值等参数超出上述正常范围达到ls,即判别为“异常状态”,控制模块11将对用户执行保护措施,直至收到进一步的指令以解除“异常状态”。这些保护措施包括但不限于:用户重心不稳时,控制电机停止转动,或反向转动使用户重新变回坐姿;用户摔倒时,控制语音模块16发出警报以请求他人救援。
[0126]本发明站立控制方法有如下优点:
[0127]1、触发方式双保险。若用户未通过腕表12上的按钮操作选择“行走”模式,则其身体动作不会触发外骨骼机械腿装置的站立动作;用户通过按钮操作选择“行走”模式后,腕表12中的无线射频模块与控制模块11进行通信,通知后者用户选择了“行走”模式,后者随即根据传感器组采集的数据,开始实时判别用户身体姿态是否满足触发条件。一旦控制模块11检测到用户身体姿态动作满足触发条件,则向电机组发出相应指令,控制电机组转动完成相应动作,触发“迈脚”。也就是说,用户必须既通过腕表12的按钮选择了 “行走”模式,同时身体姿态又满足了一定触发条件,才会触发机械腿“迈脚”。这样即可避免单一触发方式的误触发风险,提高安全系数。
[0128]2、用户使用安全。控制模块11通过传感器组对用户身
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