专利名称：应用在微重力环境下的步行辅助装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及辅助人类行走的装置，尤其涉及在微重力环境下的辅助行走装置的技术领域。
背景技术：
零力矩点(ZERO-MOMENTPOINT 简称 ZMP)和压力中心点(Center ofPressure 简 称COP)是人体步行生物力学和步行机器人的两个重要概念。ZMP点是重力，惯性力及地面 反力三者的合力矢的延线与地面的交点。COP是支撑脚与地面接触面内的一点，该点为地面 反力的作用点。当ZMP点和COP点重合时，人或机器人可以稳定的行走。研究人员通过对 人类正常步行的测量，发现了步态和足底COP轨迹之间具有一定的联系当步行处于单支 撑阶段时，COP的移动呈现一个明显的从脚跟部移动到脚前部的轨迹，同时伴随着支撑腿踝 部的向前弯曲，髋部的向后弯曲，摆动腿髋部的向前摆动。同样在双支撑阶段，也存在着双 足的COP移动规律和与之对应的腿部各关节的运动规律。在此规律上，基于ZMP和COP的 步行控制方法也在机器人上得到了应用。即利用预先设计好的ZMP/C0P轨迹，规划出机器 人的各关节的运动，实现机器人步行。人体一个步行周期内脚底支撑点的大致变化情况为首先在步行起始阶段，当人 体处于站立状态时，两只脚的前后支点都是支撑点。摆动腿开始摆动时，摆动腿脚底的两支 点脱离地面，经过一段时间的摆动，摆动腿脚底的后支点触地，完成起步过程，进入稳定步 行阶段。以两只脚都开始着地作为一个稳定步行周期的开始。稳定步行阶段包括后方腿蹬 地和前方腿支撑两个部分。刚开始，后方腿的后支点开始离开地面，前支点与地面保持接 触。前方腿的两个支点均与地面接触，但后支点是主要工作点。然后，存在一个短暂的蹬地 过程，在此过程中，后方腿的前支点与地面保持接触，通过脚踝的力矩产生蹬地的作用。前 方腿的后支点在蹬地过程中一直充当支撑点的作用。蹬地过程结束后，后方腿脱离地面，进 入摆动阶段。前方腿的后支点继续作为支点，实现人体的自然摆动。在一定的形位，通常是 人体的重心处于支撑脚的中点时，通过旋转支撑脚使后支点脱离地面，前支点成为人体摆 动的支点，一直到摆动腿着地，进入新的步行周期，重复前面的过程。在微重力环境中，人处于失重状态，漂浮在空中，不能像在地球上一样正常的行 走，甚至有些人回到地球上走路会感觉不适应。
发明内容
本发明目的是提供一种在微重力环境下利用步态和COP的关系，通过人体的关节 动作，控制脚底和地面的接触点，使人体可以借助于接触点产生正压力和摩擦力，从而实现 类似于重力环境中步行的应用在微重力环境下的步行辅助装置及其工作方法。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案应用在微重力环境下的步行辅助装置，包括助行鞋，每只助行鞋上分别设置两组 吸附控制单元、两组与吸附控制单元相对应的接触传感器，两组吸附控制单元分别形成助行鞋的前支点和后支点；两组吸附控制单元与两组接触传感器分别与步行控制器连接；还包括与吸附单元相匹配的助行通道。基于应用在微重力环境下的步行辅助装置的控制方法，包括如下步骤第一步人体处于直立姿势时，双脚都与地面接触，此时每只助行鞋上的接触传感 器都有压力存在；第二步人体开始行走时，其中一只脚通过强制力摆脱这只脚上的吸附单元与助 行通道之间的吸附力，形成摆动腿，实现稳定起步；第三步稳定行走时，第二步的摆动腿的后支点触地时，位于后支点的接触传感器 发出信号给步行控制器，此时步行控制器控制摆动腿后支点的吸附单元吸附助行通道；且 控制支撑腿上的前支点和后支点的吸附单元脱离助行通道；实现两腿之间的切换；第四步第三步中的支撑腿变为了摆动腿，第三步中的摆动腿变为了支撑腿，完成 了一个周期；重复上述周期，使得人在助行通道上行走起来；第五步当人体需要停下来时，按动步行控制器上的复位键，此时两只脚上的四个 吸附单元都吸附在助行通道上，需要行走时，重复上述步骤。本发明的步行控制器，起始时控制所有的吸附单元都吸附通道。这里涉及的脱离 方式有两种。其一是受控脱离，即控制器关断吸附作用，使吸附点可以自由离开通道表面； 其二是强制脱离。由于微重力环境下贴合通道表面需要的吸附力很小，一般设计脱离力F。ff 为小于1N。因此，当人体与通道表面存在两个以上接触点时，如果要控制其中一个接触点 脱离通道表面，只需其他接触点的正压力之和与该脱离点正压力之差大于F。ff。开始步行 时，人通过强制脱离抬起摆动腿，实现起步。当稳定步行时，在蹬地阶段，当摆动腿的后支点 触地时，该部位的感应器发出信号给步行控制器，步行控制器作出响应，发出信号让摆动腿 的后支点处的吸附单元吸附通道，后方腿(前支撑腿)的前支点和后支点处的吸附单元均 断开，两个支点的断开不影响蹬地功能的实现，同时也方便在结束蹬地后可以开始摆动。当 在适当的时机前方腿的前支点压力大于某个临界值启发吸附时，后支点就自动断开，完成 步行支点的切换。在摆动结束后，摆动腿的后支点触地时，它的传感器发出信号给步行控制 器，步行控制器发出信号让摆动腿的后支点处的吸附单元吸附通道，支撑腿的两个支点处 的吸附单元松开，完成一个周期。这样的话，人就可以在通道上行走起来。本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点克服在微重力环境中 失重的影响，实现人在微重力环境中的步行。一方面可以提高在微重力环境中的移动效率， 另一方面可以避免宇航员由于长期处于漂浮状态引起的肌肉萎缩等症状。
图1是本发明装有吸附单元的助行鞋底示意图。图中1、助行鞋，2、吸附单元，3、接 触传感器。图2是本发明步行过程中人体体行示意图。图3是本发明微重力环境步行辅助器功能方框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
如图1所示，一种应用在微重力环境下的步行辅助装置，包括助行鞋1，每只助行鞋1上分别设置两组吸附控制单元2、两组与吸附控制单元2相对应的接触传感器3，两组 吸附控制单元2分别形成助行鞋1的前支点和后支点；两组吸附控制单元2与两组接触传 感器3分别与步行控制器4连接；还包括与吸附单元2相匹配的助行通道。本发明可以在 微重力环境中工作需要的表面铺设一层薄的钢板作为步行的通道，并在通道上涂上一层增 大摩擦系数的材料，使得人行走时更加轻松。如图2、图3所示，基于应用在微重力环境下的步行辅助装置的控制方法，包括如 下步骤第一步人体处于直立姿势时，双脚都与地面接触，此时每只助行鞋1上的接触传 感器3都有压力存在；第二步人体开始行走时，其中一只脚通过强制力摆脱这只脚上的吸附单元与助 行通道之间的吸附力，形成摆动腿，实现稳定起步；第三步稳定行走时，第二步的摆动腿的后支点触地时，位于后支点的接触传感器 发出信号给步行控制器4，此时步行控制器4控制摆动腿后支点的吸附单元吸附助行通道； 且控制支撑腿上的前支点和后支点的吸附单元脱离助行通道；实现两腿之间的切换；第四步第三步中的支撑腿变为了摆动腿，第三步中的摆动腿变为了支撑腿，完成 了一个周期；重复上述周期，使得人在助行通道上行走起来；第五步当人体需要停下来时，按动步行控制器上的复位键，此时两只脚上的四个 吸附单元都吸附在助行通道上，需要行走时，重复上述步骤。如图1所示，本发明每个吸附单元既可以控制与助行通道接触，也能控制与助行 通道松开，如小的电磁吸附单元，控制通电时与通道吸附，相当于人脚粘在通道上，这样人 不会因为失重飘起来，控制断电时，与通道松开。每个单元的吸附力不宜过大(在微重力环 境中人本身重力非常小，不需要很大的吸附力)，以便脱离自动控制时还可以由穿戴人控制 其与通道的接触与分离。前后支点附近还各装有一个接触传感器3，接触传感器3可以感知 该支点已经触地，并且将这个信号传输出去。如图3所示，本发明的步行控制器，它可以采集各接触传感器3传来的信号，分析 处理，执行控制程序，发出信号控制各吸附单元2的通断。根据前面发明内容的结论，规划步行控制器控制规律打开电源初始时，鞋底的四 个吸附单元2全部吸附通道。步行起始时，需要人自己用力摆脱摆动腿的吸附力，这个力 很小，人可以轻松的摆脱。摆脱后人接着完成摆腿动作，摆动腿的后支点先触地，完成起步 过程，进入稳定步行阶段，该接触传感器3感应变化，发送信号给步行控制器。步行控制器 收到信号后，发出指令让前方腿脚底的后支点处的吸附单元2吸附通道，后方腿脚底的前 后支点处的吸附单元2都松开，两个支点的断开既不影响蹬地功能的实现，也有利于下一 步后方腿的摆动。然后前方腿成为支撑腿，后方腿成为摆动腿，进行摆动动作，当前方腿的 前支点压力大于某个临界值，前方腿的前支点接触传感器3发送信号给步行控制器，步行 控制器启发该点吸附，前方腿的后支点断开，完成步行支点的切换。在摆动结束后，摆动腿 (原后方腿)的后支点触地时，它的接触传感器3发出信号给步行控制器，步行控制器发出 信号让摆动腿的后支点处的吸附单元2吸附通道，支撑腿(原前方腿)的两个支点处的吸 附单元松开，完成一个周期，后面重复这个周期，可对照图2的人体体形的脚底前后位置的变化。当人需要停下时，按下复位键，鞋底的四个吸附单元2又全部吸附通道，这样人就可以停在该位置。整个过程框图如图3所示。 考虑到微重力环境的特殊性，以上装置体积和质量应尽可能小。
权利要求
一种应用在微重力环境下的步行辅助装置，其特征在于包括助行鞋(1)，每只助行鞋(1)上分别设置两组吸附控制单元(2)、两组与吸附控制单元(2)相对应的接触传感器(3)，两组吸附控制单元(2)分别形成助行鞋(1)的前支点和后支点；两组吸附控制单元(2)与两组接触传感器(3)分别与步行控制器(4)连接；还包括与吸附单元(2)相匹配的助行通道。
2.基于权利要求1所述的应用在微重力环境下的步行辅助装置的控制方法，其特征在 于包括如下步骤第一步人体处于直立姿势时，双脚都与地面接触，此时每只助行鞋(1)上的接触传感 器(3)都有压力存在；第二步人体开始行走时，其中一只脚通过强制力摆脱这只脚上的吸附单元与助行通 道之间的吸附力，形成摆动腿，实现稳定起步；第三步稳定行走时，第二步的摆动腿的后支点触地时，位于后支点的接触传感器发出 信号给步行控制器(4)，此时步行控制器(4)控制摆动腿后支点的吸附单元吸附助行通道； 且控制支撑腿上的前支点和后支点的吸附单元脱离助行通道；实现两腿之间的切换；第四步第三步中的支撑腿变为了摆动腿，第三步中的摆动腿变为了支撑腿，完成了一 个周期；重复上述周期，使得人在助行通道上行走起来；第五步当人体需要停下来时，按动步行控制器上的复位键，此时两只脚上的四个吸附 单元都吸附在助行通道上，需要行走时，重复上述步骤。
全文摘要
应用在微重力环境下的步行辅助装置及其控制方法，涉及辅助人类行走的装置，尤其涉及在微重力环境下的辅助行走装置的技术领域。本发明包括助行鞋，每只助行鞋上分别设置两组吸附控制单元、两组与吸附控制单元相对应的接触传感器，两组吸附控制单元分别形成助行鞋的前支点和后支点；两组吸附控制单元与两组接触传感器分别与步行控制器连接；还包括与吸附单元相匹配的助行通道。本发明实现了在微重力环境下利用步态和COP的关系，通过人体的关节动作，控制脚底和地面的接触点，使人体可以借助于接触点产生正压力和摩擦力，从而实现类似于重力环境中步行的目的。
文档编号B64G1/60GK101844623SQ20101016328
公开日2010年9月29日 申请日期2010年5月5日 优先权日2010年5月5日
发明者李伟, 罗翔 申请人:东南大学