CN103284822A - 一种下肢外骨骼助力装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种助力装置，特别涉及一种下肢外骨骼助力装置，包括大腿连接杆、小腿连接杆、腰护垫、髋关节和膝关节；其中，大腿连杆和小腿连杆通过膝关节连接，腰护垫和大腿连杆通过髋关节连接；所述髋关节、膝关节的关节部分包括关节箱体、伺服电机、谐波齿轮、主动蜗轮和从动蜗轮，伺服电机连接于关节箱体上，所述主动蜗轮和谐波齿轮与伺服电机同轴连接，从动齿轮和主动蜗轮啮合，髋关节的从动齿轮和大腿连杆连接、膝关节的从动齿轮与小腿连杆连接；本发明可以为行动不便的穿戴者提供行走的动力，以达到省力的目的，并且本发明具有较高的可靠性和稳定性。

Description

一种下肢外骨骼助力装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种助力装置，特别涉及一种下肢外骨骼助力装置。

背景技术

下肢外骨骼助力装置作为服务机器人，是一种将人和两足步行机械腿有机结合在一起，利用人的行为来控制机器人，提供动力协助人的行走，增强人们行走的能力与速度，缓解疲劳感。

目前，国内外特别是美国、日本在这方面已经进行了大量的研究。其中典型的研究之一是日本筑波大学在2002年研制开发的机器人装混合助力腿，机械外骨骼绑缚在人腿的两侧，利用贴在腿部皮肤上的EMG传感器检测肌肉的电流，控制电动马达驱动机械外骨骼运动以辅助腿部的动作。另外，美国加州大学伯克利分校机器人和人体工程实验室研制出美军“伯克利下肢外骨骼”，由背包式外架、金属腿及相应的液压驱动设备组成，机械系统采用了与类人形结构相似的设计，背包式外架能够使操纵者携带一定载荷，其有效作用力不经过穿戴者而直接经由外骨骼传至地面。

然而上述装置存在着共同的缺点，由于肌电传感器是根据肌肉活动时皮肤表面传送的微弱电流信号或肌肉的软硬程度来推断人的行为意识，导致所采用的大部分传感器要与人体肌肤直接接触并粘贴在肌肤上，需要特别的固定装置，这样直接导致穿戴上的不便；人体分泌的汗液会影响传感器获取的信息的稳定性与准确性，并且由于信息量大、处理复杂，传感器易受干扰，造成控制难度较大。

发明内容

本发明将要解决的问题是：利用助力装置和人腿相互运动产生的易控制、稳定的扭矩信号，提供动力协助人行走的下肢外骨骼助力装置，以达到节省人体自身体力消耗。

为解决上述技术问题，一种下肢外骨骼助力装置包括，大腿连接杆、小腿连接杆、腰护垫、髋关节和膝关节，其中大腿连杆和小腿连杆通过膝关节连接，腰护垫和大腿连杆通过髋关节连接；其中，所述髋关节、膝关节的关节部分包括关节箱体、伺服电机、谐波齿轮、主动蜗轮和从动蜗轮，伺服电机连接于关节箱体上，所述主动蜗轮和谐波齿轮与伺服电机同轴连接，从动齿轮与主动蜗轮啮合；所述谐波齿轮上设置有扭矩传感器，伺服电机尾部设置有检测关节实时转角的旋转编码器，所述腰护垫上方连接有同步控制器，扭矩传感器、旋转编码器与同步控制器电性连接；髋关节的从动齿轮与大腿连杆连接，膝关节的从动齿轮与小腿连杆连接。

使用者在穿戴下肢外骨骼助力装置中，将腰护垫固定在人体腰部，将小腿连杆和小腿贴合，将大腿连杆和大腿贴合；走动过程中，人体可以带动下肢外骨骼助力装置的关节内的谐波齿轮转动，通过安置在谐波齿轮上的扭矩传感器来检测所述关节的扭矩信号，检测到的扭矩信号通过同步控制器进行处理；同步控制器输出与该扭矩信号在频率保持一致的同步位移信号给伺服电机，此时伺服电机就可以提供让髋关节和膝关节的同步回复力，同时伺服电机尾部设置的检测关节实时转角的旋转编码器可以调整回复力的偏差。本发明在谐波齿轮上设置扭矩传感器，摒弃了传统在人体上贴合的传感器，大大提高了检测精度；并且伺服电机尾部设置有检测关节实时转角的旋转编码器，使其具有动态自动纠偏的功能，从而可以达到整个控制系统稳定。

进一步，为了方便穿戴，所述大腿连杆和小腿连杆设置有绷带；腰护垫设置有腰带，在腰护垫和同步控制器之间设置有背带。

进一步，所述同步控制器内设置有经过电性连接的数字信号处理谐波齿轮器、A/D转换模块、D/A转换模块、信号放大器和伺服电机驱动器。

进一步，为了使得扭矩传感器采集的信号更加精准；所述设置在谐波齿轮上的扭矩传感器设置有两个，其夹角为45度。

进一步，所述髋关节和腰护垫之间设置有转臂，转臂的一端和腰护垫通过轴承连接，另一端和髋关节的关节箱体滑动配合，转臂可以调整大腿和腰护垫之间的距离，以满足不同身高的穿戴者使用。

进一步，为了防止主动涡轮发生偏移造成摩擦等情况，所述关节箱体和从动蜗轮之间设置有定位轴承，关节箱体上设置有保护定位轴承的安装盖。

进一步，为了实现穿戴舒适和整个装置更加轻便，所述腰护垫为两块与腰部贴合的塑料弧形面，它们通过腰带连接，所述大腿连接杆的形状为与人体大腿面贴合的塑料弧形面，小腿连接杆形状为与和人体小腿贴合的塑料弧形面，转臂为塑料转臂也是为了减轻重量。

最后，所述关节箱体滑动配合的转臂上设置有耐磨圆套，关节箱体与转臂滑动配合部分的内侧设置有耐磨衬套，其目的是提高转臂的使用寿命和灵活性。

下肢外骨骼助力装置的控制方法，步骤一：扭矩传感器采集人腿与下肢外骨骼助力装置相互作用所产生的扭矩信号；步骤二：所检测的扭矩信号经信号大后通过A/D模/数转换模块传输到数字信号处理器内，并通过数字信号处理器输出与该扭矩信号在频率、相位上保持一致的关节位移给定信号； 步骤三：关节位移给定信号通过PD反馈控制模块来控制伺服电机，使其输出与人腿在运动频率、振幅和相位上皆保持同步的髋关节、膝关节所需的扭矩；步骤四：重复上述步骤一到步骤三，达到行走的连续性。 

附图说明

图1为本实施例下肢外骨骼助力装置的结构图；

图2为本实施例下肢外骨骼助力装置髋关节的剖面图；

图3为本实施例下肢外骨骼助力装置的控制系统电气框图。

具体实施方式   

下面结合附图和实例对本发明技术方案进一步说明：

如图1所示，一种下肢外骨骼助力装置，包括有同步控制器1、背带2、腰护垫3、腰带4、髋关节5、大腿绷带6、大腿连杆7、膝关节8、小腿绷带9和小腿连杆10。

如图2所示，为图1中下肢外骨骼助力装置的髋关节5的剖面图，包括转臂12、轴承11、耐磨圆套14、关节箱体17、耐磨衬套13、谐波齿轮16、伺服电机15、主动蜗轮18、定位轴承19、安装盖20和从动蜗轮21。

本发明的下肢外骨骼助力装置，其中大腿连杆7和小腿连杆10通过膝关节8连接，腰护垫3和大腿连杆7通过髋关节5连接；伺服电机15连接于关节箱体17上，主动蜗轮18和谐波齿轮16与伺服电机15同轴连接，从动齿轮21主动蜗轮18啮合，髋关节5的从动齿轮与大腿连杆7固定连接，膝关节8的从动齿轮与小腿连杆10连接；谐波齿轮16上设置有扭矩传感器22；伺服电机15尾部设置有检测关节实时转角的旋转编码器23，所述腰护垫3上方连接有同步控制器1，扭矩传感器22、旋转编码器23与同步控制器1之间电性连接。

使用者在穿戴本发明的下肢外骨骼助力装置时候，将腰护垫3固定在人体腰部，将小腿连杆10和小腿贴合，将大腿连杆7和大腿贴合；在行走过程中，人体可以带动下肢外骨骼助力装置的关节内的谐波齿轮16转动，通过安置在谐波齿轮16上的扭矩传感器22来检测髋关节5和膝关节8的扭矩信号，检测到的扭矩信号通过同步控制器1进行处理；之后同步控制器1输出与该扭矩信号在频率保持一致的同步位移信号给伺服电机15，此时伺服电机15就可以提供让髋关节5和膝关节8的同步回复力，同时伺服电机15尾部设置的检测关节实时转角的旋转编码器23可以调整回复力的偏差。本发明在谐波齿轮16上设置扭矩传感器22，摒弃了传统在人体上贴合的传感器，大大提高了检测精度；并且伺服电机尾部设置有检测关节实时转角的旋转编码器，使其具有动态自动纠偏的功能，从而可以达到整个控制系统稳定。

为了方便穿戴，所述大腿连杆7和小腿连杆10设置有绷带6；腰护垫3设置有腰带4，在腰护垫3和同步控制器1之间设置有背带2。

所述同步控制器1内部设置有数字信号处理器150、A/D转换模块133、D/A转换模块161、信号放大器132和伺服电机驱动器121、122、123、124；扭矩传感器22采集到谐波齿轮16产生的扭矩信号，通过信号放大器132放大扭矩信号，之后传输给A/D转换模块133，使得信号转换成数字信号，再将其送到数字处理器150中进行分析处理，由数字处理器150输出处理后的信号给D/A转换模块133转换成模拟信号，随后将模拟信号传输给伺服电机驱动器121、122、123、124，从而来控制伺服电机15转动，实现髋关节5、膝关节8的运动，以达到助力的效果。将这些元件集成在同一块电路板上来，实现同步控制器1的一体性和轻便性。

谐波齿轮16上设置有夹角为45度的两个扭矩传感器22，测量谐波齿轮16的输出扭矩产生变形时所发生的剪切应力信号，经信号放大器132放大后得到扭矩信号121。将扭矩信号121放大倍数为6000；所述谐波齿轮16的减速比分别设计为160：1和80：1。

髋关节5和腰护垫3之间设置有转臂12，转臂12的一端和腰护垫3通过轴承11连接，另一端和髋关节5的关节箱体滑动配合，转臂12可以调整大腿和腰护垫3之间的距离，以满足不同身高的穿戴者使用。

为了防止主动涡轮18发生偏移造成摩擦等情况，关节箱体17和从动蜗轮21之间设置有定位轴承19，关节箱体17上设置有保护定位轴承19的安装盖20。

为了实现穿戴舒适和整个装置更加轻便，所述腰护垫3为两块与腰部贴合的塑料弧形面，它们通过腰带连接，所述大腿连接杆7设置成和人体大腿面贴合的塑料弧形面，小腿连接杆10设置成和人体小腿贴合的塑料弧形面，转臂12的制造材料为塑料也是为了减轻重量。

所述转臂12和关节箱体滑动配合处设置有耐磨圆套13，关节箱体17的内侧设置有耐磨衬套13，其目的是提高转臂12的使用寿命和灵活性。

如图3所示，为本实施例下肢外骨骼助力装置的控制系统电气框图，同步控制器1的功能由数字信号处理器150编程实现，在本发明中使用的数字信号处理器150为单板机；通过四路D/A转换模块161输出期望位移信号162传输给伺服电机驱动器121、122、123、124，驱动两个髋关节5和两个膝关节8各自的伺服电机旋转。

在行走过程中，由安装在谐波齿轮16上的扭矩传感器22所检测的扭矩信号131经信号放大器132和四路A/D转换模块133输入到数字信号处理器150来实现下一次输出的期望位移信号162；安装在各关节上的旋转编码器23将检测到的实际转角位移信号140输入到数字信号处理器150中，起到一个实时反馈，使得期望位移信号162可以随时得到正确调整。

数字信号处理器150通过在任意目标轨迹周围设计矢量空间，然后用多项式去近似它，最后将这样得到的高度非线性的近似多项式与目标轨迹和矢量空间一起作为数字信号处理器150处理输入和输出函数关系的方式；从而实现输入、输出信号的同步。

对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (9)

1.一种下肢外骨骼助力装置包括，大腿连接杆、小腿连接杆、腰护垫、髋关节和膝关节，其中大腿连杆和小腿连杆通过膝关节连接，腰护垫和大腿连杆通过髋关节连接；其特征在于：

所述髋关节、膝关节的关节部分包括关节箱体、伺服电机、谐波齿轮、主动蜗轮和从动蜗轮，伺服电机连接于关节箱体上，所述主动蜗轮和谐波齿轮与伺服电机同轴连接，从动齿轮与主动蜗轮啮合；所述谐波齿轮上设置有扭矩传感器，伺服电机尾部设置有检测关节实时转角的旋转编码器，所述腰护垫上方连接有同步控制器，扭矩传感器、旋转编码器与同步控制器电性连接；髋关节的从动齿轮与大腿连杆连接，膝关节的从动齿轮与小腿连杆连接。

2.如权利要求1所述的下肢外骨骼助力装置，其特征在于：所述大腿连杆和小腿连杆设置有绷带；腰护垫设置有腰带，在腰护垫和同步控制器之间设置有背带。

3.如权利要求1所述的下肢外骨骼助力装置，其特征在于：所述同步控制器内设置有电性连接的数字信号处理器、A/D转换模块、D/A转换模块、信号放大器和伺服电机驱动器。

4.如权利要求1所述的下肢外骨骼助力装置，其特征在于：所述髋关节和腰护垫之间设置有转臂，转臂的一端和腰护垫通过轴承铰接，另一端和髋关节的关节箱体滑动配合，所述转臂为塑料转臂。

5.如权利要求2所述的下肢外骨骼助力装置，其特征在于：所述腰护垫的形状为两块与腰部贴合的塑料弧形面，并通过腰带连接，所述大腿连接杆为与人体大腿面贴合的塑料弧形面，小腿连接杆的形状为与人体小腿贴合的塑料弧形面。

6.如权利要求4所述的下肢外骨骼助力装置，其特征在于：与髋关节的关节箱体滑动配合的转臂设置有耐磨圆套，该关节箱体的内侧设置有耐磨衬套。

7.如权利要求1所述的下肢外骨骼助力装置，其特征在于：所述关节箱体和从动蜗轮之间设置有定位轴承，关节箱体上设置有保护定位轴承的安装盖。

8.如权利要求1所述的下肢外骨骼助力装置，其特征在于：所述设置在谐波齿轮上的扭矩传感器设置有两个，其夹角为45度。

9.如权利要求3所述的下肢外骨骼助力装置的控制方法，其特征在于：

步骤一：扭矩传感器采集人腿与下肢外骨骼助力装置相互作用所产生的扭矩信号；

步骤二：所检测的扭矩信号经信号放大后通过A/D转换模块传输到数字信号处理器内，并通过数字信号处理器输出与该扭矩信号在频率、相位上保持一致的关节位移给定信号； 

步骤三：关节位移给定信号通过PD反馈控制模块来控制伺服电机，使其输出与人腿在运动频率、振幅和相位上皆保持同步的髋关节、膝关节所需的扭矩；

步骤四：重复上述步骤一到步骤三，达到行走的连续。

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