专利名称：用于下肢运动训练的外骨骼机器人及其运动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于下肢运动训练的外骨骼机器人及其运动控制方法。主要用于人体下肢运动信息检测及下肢运动助力的外骨骼机器人装置。
背景技术：
随着科学技术的进步、生活水平的提闻和生活节奏的日益加快，人们在孚受:着各种高科技工具所帯来的便利的同时，忽视了体育锻炼的必要性，越来越多的年轻人的身体体质在不断地下降。另ー方面，我国和世界上许多国家一祥，正在步入老龄化社会，行动不便的老年人占据的比重也越来越大。因此，非常有必要去研究开发ー种提高人体肢体运动机能的助力装置，帮助人们进行下肢运动训练，增强身体体质，。下肢外骨骼机器人是类似人体外骨骼一祥的装置，它能被操作者穿在身上，带动人体髋关节、膝关节和踝关节进行和人体行走保持一致的运动，这种行走助力机构不但有简单的机械助力功能，而且能帮助使用者維持行走平衡。目前国内外许多研究人员在开展下肢外骨骼机器人的研究工作，但这些外骨骼机械腿训练动作种类比较少，动作范围具有局限性，运动幅度较小，多数忽略了操作者下肢的主动运动意图，缺乏运动信息的实时反馈，在操作的稳定性、安全性和真实感上有待改进。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种用于下肢运动训练的外骨骼机器人及其运动控制方法，提高人体肢体运动能力，并引入操作者主动运动意图，增强了操作者的主动參与性，更加完整、 更加真实地实现了下肢助力歩行运动。为达到上述目的，本发明的研究和构思如下用于提高人体肢体运动能力的下肢外骨骼机器人包括支撑平衡架、外骨骼机械腿、跑步机和控制系统四部分组成。支撑平衡架下端与跑步机固接，外骨骼机械腿固定于支撑平衡架中部，其足底与跑步机跑带接触，使用者穿戴上外骨骼机械腿，通过控制系统的控制，在跑步机上进行运动训练。外骨骼机械腿由2条外骨骼式机械腿构成，每条机械腿有3个转动自由度，髋关节、膝关节、踝关节各有I个自由度，均为转动连接，可以模拟人在步行时矢状面内的三关节的转动，实现三自由度的运动。在每个关节处安装有驱动机械腿的线性驱动器和测量关节旋转角度角度传感器，在线性驱动器的后方安装一维拉压カ传感器，用于检测驱动器提供的驱动力。针对操作者的不同意愿，这种用于提高人体肢体运动能力的下肢外骨骼机器人的控制方法实施被动步行运动和主动步行运动两种工作模式
被动步行运动模式下，控制机器人抑制操作者所有的异常运动，带动操作者完成特定的运动或以正确的生理学步态轨迹运动，操作者不需要自己用力，完全被动跟随机器人做歩行运动；
主动步行运动模式下，机器人抑制操作者有限的异常运动，通过实时检测运动过程中操作者作用于机器人所产生的关节驱动力，进而采用逆动力学模型提取人机交互作用カ矩来判断操作者下肢的主动运动意图，并利用阻抗控制器将交互力矩转化为步态轨迹的修正量，直接修正或通过自适应控制器产生操作者期望的步态轨迹，间接实现机器人提供歩行辅助力、阻抗カ的目的，增强操作者主动性。本发明的构思是采用下肢外骨骼机器人提高人体下肢运动能力。根据人体对于辅助行走的需要，分成机械腿提供所有辅助力的被动步行运动模式和提供部分辅助力的主动步行运动模式。被动模式下，机械腿提供人体歩行所需要的全部力量和负重能力，带动操作者在跑步机上以标准的生理学步态轨迹行走或完成特定的运动，此时采用基于ro反馈的位置伺服控制方法，有效实现步态轨迹的跟踪控制。在主动步行运动模式下，考虑到了操作者的主动性，通过カ传感器检测并提取出人机交互作用カ矩，建立人机交互作用カ矩和偏离预定关节轨迹偏差的阻抗控制模型，实现主动训练模式下的阻抗控制。而阻抗控制始終基于ー个固定的參考轨迹，只能在这ー轨迹基础上产生偏差，很难适应不同个体步态轨迹的调整；因为对于部分人群，比如部分或完全丧失行走能力老年人，可能由于下肢肌痉挛、肌肉紧张等引起的肌肉力量的不协调性，将使得人机交互作用カ矩的变化过大或过小，经阻抗控制模型计算的轨迹偏差亦偏大或偏小，修正后的步态轨迹将不完全符合生理学规律，势必影响行走的舒适性，甚至可能引起对身体的危害。因此提出步态轨迹自适应控制算法，从总体效果上考虑操作者主动參与的意图。用于下肢运动训 练的外骨骼机器人运动控制方法，其特征在于针对人体不同的需要，将步行运动分为被动和主动模式，且在主动步行模式下可根据操作者的类型，选择阻抗控制或自适应控制方法，具体实施过程如下1、被动步行运动模式下，操作者在外骨骼式机械腿的完全带动下，在跑步机上以标准的生理学步态轨迹行走或完成特定的运动，并实时检测步行过程中各关节的角度、角速度作为反馈信号，采用基于ro反馈的位置伺服控制方法，驱动机械腿带动操作者实现步行运动。2、主动步行运动模式下，其为ー个典型的双闭环控制系统模型，内环为基于ro反馈的位置控制环，外环为基于位置的阻抗控制カ环；在歩行运动过程中，利用关节驱动器后安装的拉压カ传感器实时采集在操作者下肢主动作用力下所产生的各关节驱动力，进而结合机器人的逆动力学模型计算提取出各关节人机交互作用カ矩，从而获得操作者的下肢运动意图；利用阻抗控制器将各关节人机交互力矩转化为相应的步态轨迹的位置、速度和加速度修正量，产生操作者期望的步态轨迹；或采用前n项傅里叶级数展开式拟合计算各关节正确的生理学步态轨迹，确定其初始表达式，再将各关节步态轨迹參数化，每个关节采用3个轨迹參数分别表示关节角度幅值的缩放因子，实现训练步幅的调节；步态周期的调节因子；关节角度的偏移量，可改变髋关节的弯曲和伸展量、膝关节的弯曲量、踝关节的跖屈和弯曲。然后通过各关节轨迹偏差的欧几里得范数的最佳平方逼近方法建立目标函数，以相应的轨迹參数初值对目标函数在每个步态周期范围内利用梯度法迭代求解关节角度轨迹參数，从总体效果上拟合计算參数化的步态轨迹，进而生成操作者期望的轨迹，并输入到机器人关节内环位置控制器中，控制各关节的伺服驱动器实现期望的轨迹输出，从而驱动机器人根据操作者的主动运动意图不断地调整步行轨迹，间接实现机器人提供行走辅助力、阻抗カ的目的，增强操作者主动性。
本发明用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，采用两种运动模式，被动和主动步行模式，通过特定的运动功能及获取步行运动中操作者的主动运动意图，以此驱动机器人完全带动或辅助操作者下肢实现步行运动。该控制方法在较好的实现被动运动的基础上，引入操作者主动运动意图，增强了操作者的主动參与性，更加完整、更加真实地实现了下肢助力歩行运动。根据上述发明研究和构思，本发明采用下述技术方案
一种用于下肢运动训练的外骨骼机器人，包括支撑平衡架、外骨骼机械腿、跑步机和控制系统。其特征在于所述支撑平衡架下端与跑步机固接；所述外骨骼机械腿固定于支撑平衡架中部，其足底与跑步机跑带接触；所述控制系统联接跑步机和外骨骼机械腿；使用者穿戴上外骨骼机械腿，通过控制系统的控制，在跑步机上进行运动训练。所述的外骨骼机械腿有2条，每条机械腿都包含有髋关节、膝关节和踝关节三个关节，每个关节各有I个自由度，均为转动连接；在每个关节处安装有线性驱动器和角度传感器，在线性驱动器的后方安装一维拉压カ传感器。所述的控制系统包括エ控机、数据采集卡、运动控制卡、人机界面、串ロ、信号处理电路，伺服驱动器和驱动电路；所述外骨骼机械腿中的限位开关、力传感器和角度编码器将信号送入信号处理电路，处理完后 的数据通过数据采集卡与エ控机传输；串ロ在跑步机的头部，跑步机指令和跑步机速度通过串ロ与エ控机进行传输；线性驱动器的伺服控制量和电机编码器信号通过伺服驱动器和驱动电路与运动控制卡连接，然后将运动控制卡产生的信号与エ控机连通。人机界面在エ控机上显示。一种用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，采用上述机器人进行运动训练，其特征在于针对操作者的不同意愿，所述的下肢运动训练包括被动步行运动和主动步行运动两种工作模式。上述控制方法，控制步骤如下当エ控机根据通过VC编程实现的控制程序发出指令信号，并经运动控制卡输出伺服控制量到驱动电路中，伺服驱动器即可接收到指令，控制线性驱动器实现机械腿带动操作者歩行运动的功能；与此同时エ控机通过串ロ发送指令实现跑步机的同步协调运动；エ控机通过数据采集卡实时采集角度编码器、力传感器和限位开关的信号，反馈到步态轨迹的控制器中，实现不同模式下的轨迹控制，并将当前的歩行速度、周期、训练时间、关节角度和人机交互作用力信息显示在人机界面上。上述控制方法，被动步行运动模式下，操作者在外骨骼式机械腿的完全带动下，在跑步机上以标准的生理学步态轨迹行走或完成特定的运动，并实时检测步行过程中各关节的角度、角速度作为反馈信号，采用基于ro反馈的位置伺服控制方法，驱动机械腿带动操作者实现步行运动。上述控制方法，主动步行运动模式下，成为ー个典型的双闭环控制系统模型，内环为基于ro反馈的位置控制环，外环为基于位置的阻抗控制カ环；在歩行运动过程中，利用关节驱动器后安装的拉压カ传感器实时采集在操作者下肢主动作用力下所产生的各关节驱动力，进而结合机器人的逆动力学模型计算提取出各关节人机交互作用カ矩，从而获得操作者的下肢运动意图；利用阻抗控制器将各关节人机交互力矩转化为相应的步态轨迹的位置、速度和加速度修正量，产生操作者期望的步态轨迹；进而生成操作者期望的轨迹，并输入到机器人关节内环位置控制器中，控制各关节的伺服电机实现期望的轨迹输出，从而驱动机器人根据操作者的主动运动意图不断地调整步行轨迹，间接实现机器人提供行走辅助力、阻抗カ的目的，增强操作者主动性。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点 采用自动化的下肢外骨骼机器人，模拟人腿的结构，辅助人进行行走运动，降低人在负
重或长时间行走情况下的运动强度。提供两种运动模式，在被动模式下，助力行走运动的步态周期、步幅、运动时间等均可手动或自动调节，提高了助力行走运动的自动化程度；可通过调节阻抗參数，适应操作者不同的个体特征和运动需求；步态轨迹的參数化，易于实现主动训练模式下步态轨迹的在线调整；控制方法引入了操作者的主动运动意图，并通过VC编程能实时显示和记录助力行走的速度、时间、周期、关节轨迹、驱动力、人机交互作用カ矩等信息，有助于操作者了解自己的行走状态。
图1是下肢外骨骼机器人系统不意 图2是外骨骼式机械腿结构 图3是控制系统结构示意 图4是本发明的人机界面示意 图5是本发明的控制原理框图。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合
如下
实施例一
參见图1和图2，一种用于下肢运动训练的下肢外骨骼机器人由支撑平衡架(I)、外骨骼机械腿(2)、跑步机(3)及控制系统组成。其特征在于支撑平衡架(I)下端与跑步机固接，外骨骼机械腿(2)固定于支撑平衡架(I)中部，其足底与跑步机(3)跑带接触，使用者穿戴上外骨骼机械腿(2)，通过控制系统的控制，在跑步机(3)上进行运动训练。实施例ニ
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下
所述的外骨骼机械腿(2)(參见图2)具有髋关节弯曲/伸展、膝关节弯曲/伸展、踝关节跖屈/背屈三个自由度，可以模拟人在步行时矢状面内的三关节的转动，实现三自由度的运动，在每个关节处安装有滚珠丝杠线性驱动器(4)用于驱动矫形器各关节运动。该步行下肢外骨骼机器人系统为操作者提供各关节的单关节运动和歩行运动。分别安装在髋、膝、踝关节处的(6)个角度传感器6用于测量运动过程中的关节角度，在各线性驱动器的后方安装的(6)个拉压力传感器(5)用于检测驱动器(4)提供的驱动力，两种信息均用于检测步行运动状态，并应用在不同的运动模式中。所述的控制系统包括エ控机(14)、数据采集卡(12)、运动控制卡(13)、人机界面
(15)、串ロ(8)、信号处理电路(9)，伺服驱动器(10)和驱动电路(11)。其结构是外骨骼机械腿(2)中的限位开关(7)、力传感器(5)和角度编码器(6)将信号送入信号处理电路(9)，处理完后的数据通过数据采集卡(12)与エ控机(14)传输；串ロ(8)在跑步机(3)的头部，跑步机指令和跑步机速度通过串ロ(8)与エ控机(14)进行传输；线性驱动器(4)的伺服控制量和电机编码器信号通过伺服驱动器(10)和驱动电路(11)与运动控制卡(13)连接，然后将运动控制卡(13)产生的信号与エ控机(14)连通。人机界面(15)在エ控机(14)显示。实施例三
參见图5，一种用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，采用上述机器人进行运动训练，其特征在于针对操作者的不同意愿，所述的下肢运动训练包括被动步行运动和主动步行运动两种工作模式。实施例四
本实施例与实施例三基本相同，特别之处如下
上述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，控制步骤如下当エ控机
(14)根据通过VC编程实现的控制程序发出指令信号，并经运动控制卡(13)输出伺服控制量到驱动电路(11)中，伺服驱动器(10)即可接收到指令，控制线性驱动器(4)实现机械腿带动操作者歩行运动的功能；与此同时エ控机(14)通过串ロ(8)发送指令实现跑步机的同步协调运动；エ控机(14)通过数据采集卡(12)实时采集角度编码器(6)、力传感器(5)、限位开关(7)等的信号，反馈到步态轨迹的控制器中，实现不同模式下的轨迹控制，并将当前的歩行速度、周期、训·练时间、关节角度、人机交互作用力等信息显示在人机界面(15)上。人机界面參见附图4。上述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，被动步行运动模式下，操作者在外骨骼式机械腿的完全带动下，在跑步机上以标准的生理学步态轨迹行走或完成特定的运动，并实时检测步行过程中各关节的角度、角速度作为反馈信号，采用基于ro反馈的位置伺服控制方法，驱动机械腿带动操作者实现步行运动。上述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，主动步行运动模式下，其为ー个典型的双闭环控制系统模型，内环为基于ro反馈的位置控制环，外环为基于位置的阻抗控制力环；在歩行运动过程中，利用关节驱动器后安装的拉压カ传感器实时采集在操作者下肢主动作用力下所产生的各关节驱动力，进而结合机器人的逆动力学模型计算提取出各关节人机交互作用カ矩，从而获得操作者的下肢运动意图；利用阻抗控制器将各关节人机交互力矩转化为相应的步态轨迹的位置、速度和加速度修正量，产生操作者期望的步态轨迹；进而生成操作者期望的轨迹，并输入到机器人关节内环位置控制器中，控制各关节的伺服电机实现期望的轨迹输出，从而驱动机器人根据操作者的主动运动意图不断地调整歩行轨迹，间接实现机器人提供行走辅助力、阻抗カ的目的，增强操作者主动性。
权利要求
1.一种用于下肢运动训练的外骨骼机器人，包括支撑平衡架(I)、外骨骼机械腿(2)、跑步机(3)和控制系统，其特征在于所述支撑平衡架(I)下端与跑步机固接；所述外骨骼机械腿(2)固定于支撑平衡架(I)中部，其足底与跑步机(3)跑带接触；所述控制系统联接跑步机(I)和外骨骼机械腿(2);使用者穿戴上外骨骼机械腿(2)，通过控制系统的控制，在跑步机(3)上进行运动训练。
2.根据权利要求1所述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人，其特征在于所述的外骨骼机械腿(2)有2条，每条机械腿都包含有髋关节、膝关节和踝关节三个关节，每个关节各有I个自由度，均为转动连接；在每个关节处安装有线性驱动器(4)和角度传感器(6)，在线性驱动器(4)的后方安装一维拉压力传感器(5)。
3.根据权利要求1所述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人，其特征在于所述的控制系统包括工控机(14)、数据采集卡(12)、运动控制卡(13)、人机界面(15)、串口(8)、信号处理电路(9 )，伺服驱动器(10 )和驱动电路(11);所述外骨骼机械腿(2 )中的限位开关(7 )、力传感器(5 )和角度编码器(6 )将信号送入信号处理电路(9 )，处理完后的数据通过数据采集卡(12)与工控机(14)传输；串口(8)在跑步机(3)的头部，跑步机指令和跑步机速度通过串口(8)与工控机(14)进行传输；线性驱动器(4)的伺服控制量和电机编码器信号通过伺服驱动器(10)和驱动电路(11)与运动控制卡(13)连接，然后将运动控制卡(13)产生的信号与工控机(14)连通；人机界面(15)在工控机(14)上显示。
4.一种用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，采用根据权利要求1所述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人进行运动训练，其特征在于针对操作者的不同意愿，所述的下肢运动训练包括被动步行运动和主动步行运动两种工作模式。
5.根据权利要求4所述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，其特征在于，控制步骤如下当工控机(14)根据通过VC编程实现的控制程序发出指令信号，并经运动控制卡(13)输出伺服控制量到驱动电路(11)中，伺服驱动器(10)即可接收到指令，控制线性驱动器(4)实现机械腿带动操作者步行运动的功能；与此同时工控机(14)通过串口(8)发送指令实现跑步机的同步协调运动；工控机(14)通过数据采集卡(12)实时采集角度编码器(6)、力传感器(5)和限位开关(7)的信号，反馈到步态轨迹的控制器中，实现不同模式下的轨迹控制，并将当前的步行速度、周期、训练时间、关节角度和人机交互作用力信息显示在人机界面(15)上。
6.根据权利要求4所述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，其特征在于被动步行运动模式下，操作者在外骨骼式机械腿的完全带动下，在跑步机上以标准的生理学步态轨迹行走或完成特定的运动，并实时检测步行过程中各关节的角度、角速度作为反馈信号，采用基于ro反馈的位置伺服控制方法，驱动机械腿带动操作者实现步行运动。
7.根据权利要求4所述的用于下肢运动训练的外骨骼机器人运动控制方法，其特征在于主动步行运动模式下，成为一个典型的双闭环控制系统模型，内环为基于ro反馈的位置控制环，外环为基于位置的阻抗控制力环；在步行运动过程中，利用关节驱动器后安装的拉压力传感器实时采集在操作者下肢主动作用力下所产生的各关节驱动力，进而结合机器人的逆动力学模型计算提取出各关节人机交互作用力矩，从而获得操作者的下肢运动意图；利用阻抗控制器将各关节人机交互力矩转化为相应的步态轨迹的位置、速度和加速度修正量，产生操作者期望的步态轨迹；进而生成操作者期望的轨迹，并输入到机器人关节内环位置控 制器中，控制各关节的伺服电机实现期望的轨迹输出，从而驱动机器人根据操作者的主动运动意图不断地调整步行轨迹，间接实现机器人提供行走辅助力、阻抗力的目的，增强操作者主动性。
全文摘要
本发明涉及了一种用于下肢运动训练的外骨骼机器人及其运动控制方法。本机器人包括支撑平衡架、外骨骼机械腿、跑步机和控制系统四部分组成。运动控制方法提供两种模式，分别为被动步行运动和主动步行运动模式被动步行运动模式下，控制机器人带动操作者完成特定的运动或以正确的生理学步态轨迹运动；主动步行运动模式下，机器人抑制操作者有限的异常运动，直接修正或通过自适应控制器产生操作者期望的步态训练轨迹，间接实现机器人提供步行运动辅助力、阻抗力的目的。本发明能够提高人体肢体运动能力，辅助人进行行走运动，降低人在负重或长时间行走情况下的运动强度。
文档编号A63B24/00GK103040586SQ20121055581
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者沈林勇, 吴静文, 文忠, 钱晋武, 章亚男 申请人:上海大学