CN101786478B - 具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人 - Google Patents
具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人，包含传感靴，踝关节，小腿，膝关节，液压执行器，大腿，反力矩结构，腰带，髋关节，减震弹簧，电池，载物架，背架，控制器和液压系统；传感靴与小腿通过踝关节连接，小腿与大腿通过膝关节连接，大腿与腰带通过髋关节连接；载物架通过机械结构稳固地挂靠在背架上，电池通过绑带固定在载物架两侧，控制器固定在载物架与电池的中间位置，液压系统设置在电池下方位置，与液压执行器柔顺连接。本发明的优点：降低人体感受到的负载作用，减少人体能量消耗和疲劳感，实现长距离长时间负重行走。
Description
【技术领域】
本发明涉及外骨骼机器人技术领域，具体地说，是一种具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人。
【背景技术】
下肢外骨骼机器人通常用于远距离(通常是户外)搬运重物，而且其所走的路是其他轮式交通工具不能通过的。相比较轮式交通工具，基于外骨骼的助力装置具有许多潜在的的优势，如能适应复杂的崎岖地形。人在娱乐，工作或者在军事行动时可以用下肢外骨骼机器人来负重：徒步旅行者用下肢外骨骼机器人携带辅助用品，消防队员或急救队员用下肢外骨骼机器人来携带氧气罐和其它机械设备，士兵用下肢外骨骼机器人携带重物，穿越各种复杂地形和长距离行走。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人，包含传感靴，踝关节，小腿，膝关节，液压执行器，大腿，反力矩结构，腰带，髋关节，减震弹簧，电池，载物架，背架，控制器和液压系统；传感靴与小腿通过踝关节连接，小腿与大腿通过膝关节连接，大腿与腰带通过髋关节连接；载物架通过机械结构稳固地挂靠在背架上，电池通过绑带固定在载物架两侧，控制器固定在载物架与电池的中间位置，液压系统设置在电池下方位置，与液压执行器柔顺连接；
所述的大腿与小腿上各设置了液压执行器的连接端，通过液压执行器的伸缩，实现膝关节的旋转运动；
所述的传感靴主要包括把载荷传送到地面的脚后跟和为舒适而设计的弯曲的趾头，用于测量人体足底压力与外骨骼末端的足底压力；通过嵌入到脚底板中的前脚压力传感器、后脚压力传感器来测量脚底压力的变化，用于虚拟被动力控制；请参见图4，传感靴内含有安置在传感靴脚尖处的前脚压力传感器、传感靴脚跟处的后脚压力传感器与传感靴脚侧处的脚侧压力传感器，分别用于测量人体脚尖、人体脚跟与外骨骼作用在地面上的压力；
传感靴的脚侧压力传感器通过踝关节与小腿末端固联，该传感器的设置用以进行下肢外骨骼负载能力的测试，理想的控制条件下，所有负重都将作用于下肢外骨骼上，因此下肢外骨骼末端的压力应为自身质量与负重的总和，通过测量脚侧压力传感器的值可以评价系统的负重性能，该方法比其它方法更方便，简洁；
所述的踝关节采用球面高副连接方式，实现关节的三个旋转运动，主要由球型转动杆、球型转动套组成，并通过连接件与脚侧传感器连接杆连接，完成小腿与传感靴的连接；参照图3，踝关节的储能弹簧上端固联在小腿伸缩杆上，下端固联在脚侧传感器连接杆上，用于储存步行中人体所消耗的部分肌肉能量，并在适当的步态阶段自动释放这部分能量用于辅助人体行走，以节省能量；
所述的大腿采用弧形设计，保证了髋关节到膝关节的几何位置顺滑过渡，同时使液压执行器在小腿弯曲时彻底缩回；髋关节采用球面高副连接方式，实现关节的两个旋转运动，保证外骨骼能够随人体实现直行和转弯；参照图2，髋关节附近的反力矩结构包括反力矩弹簧，缓冲弹簧，滑套、滑杆等，实现髋关节的助力功能；反力矩弹簧一端通过球面高副与腰带末端连接，一端与滑套固连；反力矩弹簧的力矩作用抵抗住了负重引起的翻转力矩，使外骨骼保持前后平衡，该设计方法无需控制，具有被动动力学的特性，减少了系统能耗。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明的原理是通过髋关节的反力矩结构、膝关节的液压驱动器与踝关节的弹性元件，通过虚拟被动力控制方法使其在单腿支撑阶段等效为一根可伸缩的拐杖，直接将负重作用力传递给地面，从而降低人体感受到的负载作用，减少人体能量消耗和疲劳感，实现长距离长时间负重行走。
本发明的虚拟被动力控制的特点在于该控制算法弥补了被动动力控制中采用等刚度弹簧开环控制所造成的控制误差大，适用性单一，无法实时调节等缺陷，同时其不需要精确的动力学模型进行实时扭矩的计算，提高了计算速度与系统的可靠性，此外由于充分利用了人体的动力学特性，将有助于减少能量的消耗。
【附图说明】
图1为下肢外骨骼机器人总体结构示意图；
图2为下肢外骨骼机器人反力矩结构示意图；
图3为下肢外骨骼机器人踝关节结构示意图；
图4为下肢外骨骼机器人传感靴压力传感器布置示意图；
图5为下肢外骨骼机器人使用的虚拟被动力控制框图；
附图中的标号分别为：1、传感靴，2、踝关节，3、小腿，4、膝关节，5、液压执行器，6、大腿，7、反力矩结构，8、腰带，9、髋关节，10、减震弹簧，11、液压系统，12、电池，13、控制器，14、载物架，15、背架，16、伸缩筒，17、缓冲弹簧，18、滑套，19、反力矩弹簧，20、滑杆，21、小腿伸缩杆，22、储能弹簧，23、球型转动杆，24、球型转动套，25、连接件，26、脚侧传感器连接杆，27、脚底板，28、前脚压力传感器，29、脚侧压力传感器，30、后脚压力传感器。
【具体实施方式】
以下提供本发明一种具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人的具体实施方式。
请参见附图1，一种具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人，包含传感靴1，踝关节2，小腿3，膝关节4，液压执行器5，大腿6，反力矩结构7，腰带8，髋关节9，减震弹簧10，液压系统11，电池12，控制器13，载物架14和背架15；传感靴1与小腿3通过踝关节2连接，小腿3与大腿6通过膝关节4连接，大腿6与腰带8通过髋关节9连接；载物架14通过机械结构稳固地挂靠在背架15上，电池12通过绑带固定在载物架14两侧，控制器13固定在载物架14与电池12的中间位置，液压系统11设置在电池12下方位置，与液压执行器5柔顺连接；
腰带8与载物架14对称地以旋转运动副相连。在腰带8与载物架14之间添加减震弹簧10，以限制腰带8的运动范围，并产生一个缓冲作用力来隔离腿部的冲击对于载物架14上所携带的电池12、控制器13和负载的破坏，提供较稳定的载物平台。
大腿6与腰带8通过髋关节9连接，并用反力矩结构7使负载力顺利传递到大腿6上。大腿6采用弧形设计，保证了髋关节9到膝关节4的几何位置顺滑过渡，同时使液压执行器5在小腿3弯曲时彻底缩回。髋关节9采用球面高副连接方式，实现关节的两个旋转运动，保证外骨骼能够随人体实现直行和转弯。请参见附图2，髋关节9附近的反力矩结构7包括反力矩弹簧19，缓冲弹簧17，滑套18、滑杆20等，实现髋关节9的助力功能。反力矩弹簧19一端通过球面高副与腰带8末端连接，一端与滑套18固连。反力矩弹簧19的力矩作用抵抗住了负重引起的翻转力矩，使外骨骼保持前后平衡。该设计方法无需控制，具有被动动力学的特性，减少了系统能耗。
大腿6与小腿3通过膝关节4连接。膝关节4采用单自由度的纯旋转运动，简化了人体大腿骨和胫骨之间转动和滑动的组合运动，通过添加轴承来减小摩擦力。在大腿6与小腿3上各设置了液压执行器5的连接端，通过液压执行器5的伸缩，实现膝关节的旋转运动。
小腿3与传感靴1通过踝关节2连接，踝关节2使用球面高副连接方式，实现关节的三个旋转运动，主要由球型转动杆23、球型转动套24组成，并通过连接件25与脚侧传感器连接杆26连接，完成小腿3与传感靴1的连接。请参见附图3，踝关节2的储能弹簧22上端固联在小腿伸缩杆21上，下端固联在脚侧传感器连接杆26上，用于储存步行中人体所消耗的部分肌肉能量，并在适当的步态阶段自动释放这部分能量用于辅助人体行走，以节省能量。
传感靴1的脚侧压力传感器29通过踝关节2与小腿3末端固联。该传感器的标定可以通过下肢外骨骼负载能力的测试来进行。通过测量脚侧压力传感器29的值还可以评价系统的负重性能。该方法比其它方法更方便，简洁。
传感靴1主要包括把载荷传送到地面的脚后跟和为舒适而设计的弯曲的趾头，用于测量人体足底压力与外骨骼末端的足底压力。通过嵌入到脚底板27中的前脚压力传感器28、后脚压力传感器30来测量脚底压力的变化，用于虚拟被动力控制。请参见附图4，传感靴1内含有安置在传感靴1脚尖处的前脚压力传感器28、传感靴1脚跟处的后脚压力传感器30与传感靴1脚侧处的脚侧压力传感器29，分别用于测量人体脚尖、人体脚跟与外骨骼作用在地面上的压力。
外骨骼机器人大腿6末端的滑杆20与小腿3末端的小腿伸缩杆21可分别调节大腿6和小腿3的长度，以扩大下肢外骨骼机器人的适应性范围，适应不同的穿戴者穿戴。
当人体在背负重物行走时，人体的步态主要分为支撑相与摆动相，本发明涉及的下肢外骨骼控制部分主要作用在支撑相阶段。
请参见附图2，当人在支撑相时，反力矩结构7中的滑套18将沿滑杆20向下运动，挤压缓冲弹簧17，随着人体的躯干与大腿的夹角变大，缓冲弹簧17的作用力变大，转换为髋关节9的反作用扭矩，直到缓冲弹簧17完全压缩，使髋关节9运动锁死，负重则通过反力矩结构7将负载作用力传递到膝关节4。
请参见附图1，当人在支撑相时，膝关节4采用液压驱动技术，通过虚拟被动力控制方法，实现在膝关节4伸展时，液压执行器5能有效地补充能量，顶升重物；在膝关节4弯曲时，液压执行器5作为阻尼器消耗能量。
请参见附图3，当人在支撑相时，踝关节2的储能弹簧22受到载荷的压力而收缩，从而将部分弹性能量储存起来。当人在将要抬起脚时，储能弹簧释放这部分储存起来的弹性能量，帮助人和外骨骼机器人抬起脚，从而节省人步行时生物能的消耗，减少人体疲劳。
请参见附图1，当人在摆动相时，髋关节9，踝关节2，反力矩结构7等均无需控制，与外骨骼一起跟随人体被动运动。
请参见附图5，虚拟被动力控制的主要思想概述如下，(1)从人体步态生物力学的角度出发，充分利用人体肌肉所特有的弹簧特性，在外骨骼关节上添加等效的被动力学元件，如弹簧、阻尼器、质量块、插销等，使其产生模拟肌肉作用效果的各类力与位置的线性与非线性关系，以此来构建针对人体步态的前馈控制器。(2)运用主动力控制方式通过机械液压装置虚拟这些被动元件，使关节能够产生符合人体步态力学性能的各种阻抗特性，如同这些虚拟元件真的参与了外骨骼的动作，同时保持外骨骼自身的被动特性，使系统稳定。(3)当人穿戴骨骼服行走时，执行机构将虚拟出类似机械元件般的被动力学特性，使外骨骼能够跟随人体关节运动产生适当的扭矩，从而减少人体的能量消耗。该控制方法通过主动力反馈控制扭矩，而不是控制关节角位置，从而充分模拟了人类步行的自然特点。
前馈控制器的原理是运用机械元件的被动特性来模拟人体肌肉运动力学性能，对控制进行参数预设置，形式上可以规范化为一种状态机系统，当遇到工作条件改变时，需要重新改变机械元件的组合与重新设置初始状态，有利于提高响应时间与减少能耗。通过人体步态实验，先采集人体在步态不同阶段及不同负载状态下各关节的运动动力学参数；再通过数据处理算法对于数据进行优化，以获得合适的参数及其调节规律；最后需要结合人体肌肉模型，才能够建立所需的被动元件模型及其参数设置。
反馈控制器通过实时控制人机间作用力，跟踪人体运动轨迹，修正力控制参量，提高系统稳定性，有利于帮助穿戴者完成更多的运动功能。采用主动力反馈控制算法，实现关节的柔顺性控制，同时为了克服主动控制所存在的无法抗冲击，高能耗等问题，通过添加柔性阻尼元件，改善系统性能。
请参见附图5，控制系统中的步态识别器根据前脚压力传感器28、后脚压力传感器30的测量值，可以判断人体所处的步态状态。
虚拟被动力控制的特点在于该控制算法弥补了被动动力控制中采用等刚度弹簧开环控制所造成的控制误差大，适用性单一，无法实时调节等缺陷，同时其不需要精确的动力学模型进行实时扭矩的计算，提高了计算速度与系统的可靠性，此外由于充分利用了人体的动力学特性，将有助于减少能量的消耗。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人，包含传感靴，踝关节，小腿，膝关节，液压执行器，大腿，反力矩结构，腰带，髋关节，减震弹簧，电池，载物架，背架，控制器和液压系统；其特征在于，传感靴与小腿通过踝关节连接，小腿与大腿通过膝关节连接，大腿与腰带通过髋关节连接；载物架通过机械结构稳固地挂靠在背架上，电池通过绑带固定在载物架两侧，控制器固定在载物架与电池的中间位置，液压系统设置在电池下方位置，与液压执行器柔顺连接；腰带与载物架对称地以旋转运动副相连；在腰带与载物架之间添加减震弹簧；
所述的髋关节附近的反力矩结构包括反力矩弹簧，缓冲弹簧，滑套、滑杆，实现髋关节的助力功能；反力矩弹簧一端通过球面高副与腰带末端连接，一端与滑套固连。
2.如权利要求1所述的具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的大腿与小腿上各设置了液压执行器的连接端。
3.如权利要求1所述的具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的传感靴内含有安置在传感靴脚尖处的前脚压力传感器、传感靴脚跟处的后脚压力传感器与传感靴脚侧处的脚侧压力传感器。
4.如权利要求1所述的具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的踝关节采用球面高副连接方式，由球型转动杆、球型转动套组成，并通过连接件与脚侧传感器连接杆连接，完成小腿与传感靴的连接；踝关节的储能弹簧上端固联在小腿伸缩杆上，下端固联在脚侧传感器连接杆上。
5.如权利要求1所述的具有反力矩结构的虚拟力控制下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述的大腿采用弧形设计，髋关节采用球面高副连接方式，实现关节的两个旋转运动，保证外骨骼能够随人体实现直行和转弯。
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