CN110974631B - 一种非对称下肢外骨骼机器人及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称下肢外骨骼机器人，数据采集腿和有动力腿的上部均活动连接于腰部固定装置，第一传感鞋安装于数据采集腿的下部，第二传感鞋安装于有动力腿的底部；数据采集腿检测膝关节运动数据和髋关节运动数据；有动力腿提供动力并带动有动力腿运动；第一传感鞋上设置第一足底压力传感器；第二传感鞋上设置第二足底压力传感器。本发明一种非对称下肢外骨骼机器人及控制方法，可以实现单侧主动运动/单侧被动运动，而使得脑瘫偏瘫患者复健时，健侧腿的运动受到患侧腿的影响极小，提高了复健效果，有利于病人恢复正常步态；同时可以实现对有动力腿的协调控制，并实现步态采集功能，为后期诊断和复健方案提供了完整的参考数据。
Description
技术领域
本发明涉及康复医疗与工程器械领域，具体涉及一种非对称下肢外骨骼机器人及控制方法。
背景技术
目前市面上有很多面向康复领域的外骨骼机器人，基本上为对称结构。但是对于很多脑瘫偏瘫的患者，这种结构无法适用，原因如下：
在脑瘫偏瘫患者进行复健的时候，行走时健侧腿是可以正常行走的，而患侧腿往往需要辅助才能够进行行走，在现有的外骨骼机器人使用时，健侧腿也受到外骨骼重量及惯性的干扰，影响了健侧腿的步态；同时缺少步态采集功能，更不能采集到正常步态，无法为后续的医疗诊断提供依据，而且对称结构的外骨骼机器人需要设计机械切换结构或随动控制系统，机械切换结构体积大，随动控制系统难度大且有滞后。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的外骨骼机器人使用时，健侧腿也受到外骨骼重量及惯性的干扰，影响了健侧腿的步态，目的在于提供一种非对称下肢外骨骼机器人及控制方法，解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种非对称下肢外骨骼机器人，包括腰部固定装置、数据采集腿、有动力腿、第一传感鞋和第二传感鞋；所述数据采集腿和有动力腿的上部均活动连接于腰部固定装置，所述第一传感鞋安装于所述数据采集腿的下部，所述第二传感鞋安装于所述有动力腿的底部；所述数据采集腿检测膝关节运动数据和髋关节运动数据；所述有动力腿提供动力并带动有动力腿运动；所述第一传感鞋上设置第一足底压力传感器；所述第二传感鞋上设置第二足底压力传感器。
本发明应用时，数据采集腿在使用中可以固定于健侧腿，实现行走中健侧腿的数据采集并为有动力腿的运动提供依据，数据采集腿自身只做数据采集而不具备动力，而有动力腿则提供动力，这样就可以实现单侧主动运动/单侧被动运动，而使得脑瘫偏瘫患者复健时，健侧腿的运动受到患侧腿的影响极小，提高了复健效果，有利于病人恢复正常步态；同时本发明中设置有第一足底压力传感器和第二足底压力传感器，通过第一足底压力传感器和第二足底压力传感器与数据采集腿采集的数据，可以实现对有动力腿的协调控制，并实现步态采集功能，为后期诊断和复健方案提供了完整的参考数据。
进一步的，述数据采集腿包括第一肢段和第二肢段；所述有动力腿包括第三肢段和第四肢段；所述第一肢段上部活动连接于腰部固定装置，且所述第二肢段上部活动连接于第一肢段下部，所述第一传感鞋安装于所述第二肢段下部；所述第三肢段上部活动连接于腰部固定装置，且所述第四肢段上部活动连接于第三肢段下部，所述第二传感鞋安装于所述第四肢段下部。
进一步的，所述第一肢段上部活动连接于腰部固定装置处设置髋关节数据采集编码器，所述第二肢段上部活动连接于第一肢段下部处设置膝关节数据采集编码器；所述第三肢段上部活动连接于腰部固定装置处设置髋关节驱动机构，所述第四肢段上部活动连接于第三肢段下部处设置膝关节驱动机构；所述腰部固定装置设置有主控模块，所述主控模块接收第一足底压力传感器、第二足底压力传感器、髋关节数据采集编码器和膝关节数据采集编码器的信号并控制髋关节驱动机构和膝关节驱动机构运动。
本发明应用时，数据采集腿上数据采集的主要对象是髋关节的运动和膝关节的运动，而有动力腿上的主要运动也为髋关节的运动和膝关节的运动，这样的设计可以为调整患者正常步态提供良好的参考，髋关节的运动和膝关节的运动数据采集可以采集运动速率和运动轨迹，这样便于对有动力腿的控制，因为有动力腿往往模拟正常步态是可以通过这些数据的镜像实现的。髋关节驱动机构和膝关节驱动机构一般都需要包括有电机、增量编码器、绝对编码器和减速器，电机实现驱动，增量编码器和绝对编码器作为电机的驱动实现运动增量和运动轨迹的实时位置反馈。同时将主控模块设置在腰部固定装置上，远离运动机构可以使得主控模块工作更加稳定，通过主控模块接收检测的数据并根据检测的数据或者用户预设的数据实现有动力腿的运动控制。
进一步的，运动时，所述主控模块根据第一足底压力传感器、第二足底压力传感器、髋关节数据采集编码器和膝关节数据采集编码器发送的信号判断运动重心位置；
当重心在数据采集腿一侧时，所述主控模块根据预设的摆动相关节轨迹信息控制有动力腿按照摆动相关节轨迹信息运动；
当重心在有动力腿一侧时，所述主控模块根据预设的支撑相关节轨迹信息控制有动力腿按照支撑相关节轨迹信息运动。
本发明应用时，主控模块本身具有多种运动形式，在其中一种运动形式下，有动力腿的运动方式采用预设的运动方式，通过调整控制参数来调整外骨骼对人体的辅助力度，预设的摆动相关节轨迹信息和支撑相关节轨迹信息可以通过采集正常步态的信息获得，在这种运动形式下可以使得患者在长期卧床情况下，步态无法掌握时实现辅助复健。通过重心位置的不同设置不同的关节轨迹运动，可以使得辅助行走更为有效和准确。
进一步的，所述主控模块还用于接收用户的辅助力度调节信息，并根据所述辅助力度调节信息和用户的体重信息对髋关节驱动机构和膝关节驱动机构的扭矩进行调节。
本发明应用时，发明人发现对辅助力度调节是非常重要的，对不同的力度调节可以适应不同患者的需求，对不同恢复情况的患者都可以适应，辅助力度调节范围为0％到100％。其中100％的辅助力指完全被动模式，患者的腿部运动将完全由有动力腿带动，有动力腿将按照程序规划的运动轨迹指令进行运动，而忽略患者腿部对机器施加的作用力；0％的辅助力指完全主动模式，有动力腿的运动轨迹完全跟随患者的腿部运动轨迹，有动力腿的动力单元仅提供力克服其自身重力及质量产生的力矩、惯性力及阻力。其余百分比的辅助力设定以此类推，表示动力腿提供当前运动所需力的百分比。
进一步的，运动时，所述主控模块根据第一足底压力传感器、第二足底压力传感器、髋关节数据采集编码器和膝关节数据采集编码器发送的信号判断运动重心位置；
当重心在数据采集腿一侧时，所述主控模块根据第一足底压力传感器、髋关节数据采集编码器和膝关节数据采集编码器发送的信号判断所述数据采集腿的运动轨迹作为支撑运动数据，并将所述支撑运动数据进行镜像处理后生成镜像支撑信号；当重心在有动力腿一侧时，所述主控模块根据第一足底压力传感器、髋关节数据采集编码器和膝关节数据采集编码器发送的信号判断所述数据采集腿的运动轨迹作为摆动运动数据，并将所述摆动运动数据进行镜像处理后生成镜像摆动信号；
当重心在数据采集腿一侧时，所述主控模块根据所述镜像摆动信号控制所述髋关节驱动机构和膝关节驱动机构带动有动力腿运动；当重心在有动力腿一侧时，所述主控模块根据所述镜像支撑信号控制所述髋关节驱动机构和膝关节驱动机构带动有动力腿运动。
本发明应用时，主控模块本身具有多种运动形式，这里的运动模式是镜像模式，镜像模式是通过模拟健侧腿的运动来实现患者在复健过程中腿的运动协调，在数据采集腿上采集到的数据信息进行镜像处理，这里说的镜像是指以整个结构的中心轴线做镜像生成镜像运动信号，然后使用这个镜像运动信号实现有动力腿的运动。
一种非对称下肢外骨骼机器人控制方法，包括以下步骤：
S1：根据运动状态将单个步态周期分为支撑相和摆动相；所述支撑相为数据采集腿由用户带动运动，且有动力腿为用户提供支撑和辅助运动；所述摆动相为有动力腿提供动力进行有动力腿的迈步运动；
S2：选择有动力腿的运动方式，并根据第一足底压力传感器、第二足底压力传感器、髋关节数据采集编码器和膝关节数据采集编码器采集的数据对有动力腿在支撑相和摆动相的运动进行控制。
进一步的，步骤S2包括以下子步骤：
S211：当有动力腿的运动方式为主被动模式时，根据第一足底压力传感器、第二足底压力传感器、髋关节数据采集编码器和膝关节数据采集编码器发送的信号判断运动重心位置；
S212：当重心在数据采集腿一侧时，判定所述有动力腿处于摆动相，根据预设的摆动相关节轨迹信息控制有动力腿按照摆动相关节轨迹信息运动；当重心在有动力腿一侧时，判定所述有动力腿处于支撑相，根据预设的支撑相关节轨迹信息控制有动力腿按照支撑相关节轨迹信息运动。
进一步的，步骤S212包括以下子步骤：
接收用户的辅助力度调节信息，并根据所述辅助力度调节信息和用户的体重信息设定初始阻抗参数；
通过对髋关节驱动机构和膝关节驱动机构的阻抗控制实现对髋关节驱动机构和膝关节驱动机构的输出扭矩控制；
实时检测髋关节驱动机构和膝关节驱动机构的实际位置偏差，并按照自适应律动修正所述阻抗控制。
进一步的，步骤S2包括以下子步骤：
S221：当有动力腿的运动方式为镜像模式时，根据第一足底压力传感器、第二足底压力传感器、髋关节数据采集编码器和膝关节数据采集编码器发送的信号判断运动重心位置；
S222：当重心在数据采集腿一侧时，所述主控模块根据第一足底压力传感器、髋关节数据采集编码器和膝关节数据采集编码器发送的信号判断所述数据采集腿的运动轨迹作为支撑运动数据，并将所述支撑运动数据进行镜像处理后生成镜像支撑信号；当重心在有动力腿一侧时，所述主控模块根据第一足底压力传感器、髋关节数据采集编码器和膝关节数据采集编码器发送的信号判断所述数据采集腿的运动轨迹作为摆动运动数据，并将所述摆动运动数据进行镜像处理后生成镜像摆动信号；
S223：当重心在数据采集腿一侧时，所述主控模块根据所述镜像摆动信号控制所述髋关节驱动机构和膝关节驱动机构带动有动力腿运动；当重心在有动力腿一侧时，所述主控模块根据所述镜像支撑信号控制所述髋关节驱动机构和膝关节驱动机构带动有动力腿运动；
S224：重复执行S222和S223直至运动结束。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种非对称下肢外骨骼机器人及控制方法，可以实现单侧主动运动/单侧被动运动，而使得脑瘫偏瘫患者复健时，健侧腿的运动受到患侧腿的影响极小，提高了复健效果，有利于病人恢复正常步态；同时可以实现对有动力腿的协调控制，并实现步态采集功能，为后期诊断和复健方案提供了完整的参考数据。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明结构示意图；
图3为本发明主被动模式下步骤示意图；
图4为本发明辅助动力调整步骤示意图；
图5为本发明镜像模式下步骤示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-腰部固定装置，2-数据采集腿，3-有动力腿，4-第一传感鞋，5-第二传感鞋，41-第一足底压力传感器，51-第二足底压力传感器，21-髋关节数据采集编码器，22-膝关节数据采集编码器，31-髋关节驱动机构，32-膝关节驱动机构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1和图2所示，本发明一种非对称下肢外骨骼机器人，包括腰部固定装置1、数据采集腿2、有动力腿3、第一传感鞋4和第二传感鞋5；所述数据采集腿2和有动力腿3的上部均活动连接于腰部固定装置1，所述第一传感鞋4安装于所述数据采集腿2的下部，所述第二传感鞋5安装于所述有动力腿3的底部；所述数据采集腿2检测膝关节运动数据和髋关节运动数据；所述有动力腿3提供动力并带动有动力腿3运动；所述第一传感鞋4上设置第一足底压力传感器41；所述第二传感鞋5上设置第二足底压力传感器51。
本实施例实施时，数据采集腿2在使用中可以固定于健侧腿，有动力腿3在使用中可以固定于患侧腿，实现行走中健侧腿的数据采集并为有动力腿3的运动提供依据，数据采集腿2自身只做数据采集而不具备动力，而有动力腿3则提供动力，这样就可以实现单侧主动运动/单侧被动运动，而使得脑瘫偏瘫患者复健时，健侧腿的运动受到患侧腿的影响极小，提高了复健效果，有利于病人恢复正常步态；同时本发明中设置有第一足底压力传感器和第二足底压力传感器，通过第一足底压力传感器41和第二足底压力传感器51与数据采集腿2采集的数据，可以实现对有动力腿3的协调控制，并实现步态采集功能，为后期诊断和复健方案提供了完整的参考数据。
为了进一步说明本实施例的工作过程，所述数据采集腿2包括第一肢段和第二肢段；所述有动力腿3包括第三肢段和第四肢段；所述第一肢段上部活动连接于腰部固定装置1，且所述第二肢段上部活动连接于第一肢段下部，所述第一传感鞋4安装于所述第二肢段下部；所述第三肢段上部活动连接于腰部固定装置1，且所述第四肢段上部活动连接于第三肢段下部，所述第二传感鞋5安装于所述第四肢段下部。
为了进一步说明本实施例的工作过程，所述第一肢段上部活动连接于腰部固定装置1处设置髋关节数据采集编码器21，所述第二肢段上部活动连接于第一肢段下部处设置膝关节数据采集编码器22；所述第三肢段上部活动连接于腰部固定装置1处设置髋关节驱动机构31，所述第四肢段上部活动连接于第三肢段下部处设置膝关节驱动机构32；所述腰部固定装置1设置有主控模块，所述主控模块接收第一足底压力传感器41、第二足底压力传感器51、髋关节数据采集编码器21和膝关节数据采集编码器22的信号并控制髋关节驱动机构31和膝关节驱动机构32运动。
本实施例实施时，数据采集腿2上数据采集的主要对象是髋关节的运动和膝关节的运动，而有动力腿3上的主要运动也为髋关节的运动和膝关节的运动，这样的设计可以为调整患者正常步态提供良好的参考，髋关节的运动和膝关节的运动数据采集可以采集运动速率和运动轨迹，这样便于对有动力腿3的控制，因为有动力腿往往模拟正常步态是可以通过这些数据的镜像实现的。髋关节驱动机构31和膝关节驱动机构32一般都需要包括有电机、增量编码器、绝对编码器和减速器，电机实现驱动，增量编码器和绝对编码器作为电机的驱动实现运动增量和运动轨迹的编码。同时将主控模块设置在腰部固定装置1上，远离运动机构可以使得主控模块工作更加稳定，通过主控模块接收检测的数据并根据检测的数据或者用户预设的数据实现有动力腿的运动控制。
为了进一步说明本实施例的工作过程，运动时，所述主控模块根据第一足底压力传感器41、第二足底压力传感器51、髋关节数据采集编码器21和膝关节数据采集编码器22发送的信号判断运动重心位置；
当重心在数据采集腿2一侧时，所述主控模块根据预设的摆动相关节轨迹信息控制有动力腿3按照摆动相关节轨迹信息运动；
当重心在有动力腿3一侧时，所述主控模块根据预设的支撑相关节轨迹信息控制有动力腿3按照支撑相关节轨迹信息运动。
本实施例实施时，主控模块本身具有多种运动形式，在其中一种运动形式下，有动力腿3的运动方式采用预设的运动方式，通过调整控制参数来调整外骨骼对人体的辅助力度，预设的摆动相关节轨迹信息和支撑相关节轨迹信息可以通过采集正常步态的信息获得，在这种运动形式下可以使得患者在长期卧床情况下，步态无法掌握时实现辅助复健。通过重心位置的不同设置不同的关节轨迹运动，可以使得辅助行走更为有效和准确。
为了进一步说明本实施例的工作过程，所述主控模块还用于接收用户的辅助力度调节信息，并根据所述辅助力度调节信息和用户的体重信息对髋关节驱动机构31和膝关节驱动机构32的扭矩进行调节。
本实施例实施时，发明人发现对辅助力度调节是非常重要的，对不同的力度调节可以适应不同患者的需求，对不同恢复情况的患者都可以适应，辅助力度调节范围为0％到100％。其中100％的辅助力指完全被动模式，患者的腿部运动将完全由有动力腿3带动，有动力腿3将按照程序规划的运动轨迹指令进行运动，而忽略患者腿部对机器施加的作用力；0％的辅助力指完全主动模式，有动力腿3的运动轨迹完全跟随患者的腿部运动轨迹，有动力腿3的动力单元仅提供力克服其自身重力及质量产生的力矩、惯性力及阻力。其余百分比的辅助力设定以此类推，表示动力腿提供当前运动所需力的百分比。
为了进一步说明本实施例的工作过程，运动时，所述主控模块根据第一足底压力传感器41、第二足底压力传感器51、髋关节数据采集编码器21和膝关节数据采集编码器22发送的信号判断运动重心位置；
当重心在数据采集腿2一侧时，所述主控模块根据第一足底压力传感器41、髋关节数据采集编码器21和膝关节数据采集编码器22发送的信号判断所述数据采集腿2的运动轨迹作为支撑运动数据，并将所述支撑运动数据进行镜像处理后生成镜像支撑信号；当重心在有动力腿3一侧时，所述主控模块根据第一足底压力传感器41、髋关节数据采集编码器21和膝关节数据采集编码器22发送的信号判断所述数据采集腿2的运动轨迹作为摆动运动数据，并将所述摆动运动数据进行镜像处理后生成镜像摆动信号；
当重心在数据采集腿2一侧时，所述主控模块根据所述镜像摆动信号控制所述髋关节驱动机构31和膝关节驱动机构32带动有动力腿3运动；当重心在有动力腿3一侧时，所述主控模块根据所述镜像支撑信号控制所述髋关节驱动机构31和膝关节驱动机构32带动有动力腿3运动。
本实施例实施时，主控模块本身具有多种运动形式，这里的运动模式是镜像模式，镜像模式是通过模拟健侧腿的运动来实现患者在复健过程中腿的运动协调，在数据采集腿2上采集到的数据信息进行镜像处理，这里说的镜像是指以整个结构的中心轴线做镜像生成镜像运动信号，然后使用这个镜像运动信号实现有动力腿3的运动。
实施例2
本实施例一种非对称下肢外骨骼机器人的控制方法，包括以下步骤：
S1：根据运动状态将单个步态周期分为支撑相和摆动相；所述支撑相为数据采集腿2由用户带动运动，且有动力腿3为用户提供支撑和辅助运动；所述摆动相为有动力腿3提供动力进行有动力腿3的迈步运动；
S2：选择有动力腿3的运动方式，并根据第一足底压力传感器41、第二足底压力传感器51、髋关节数据采集编码器21和膝关节数据采集编码器22采集的数据对有动力腿3在支撑相和摆动相的运动进行控制。
为了进一步说明本实施例的工作过程，步骤S2包括以下子步骤：
S211：当有动力腿3的运动方式为主被动模式时，根据第一足底压力传感器41、第二足底压力传感器51、髋关节数据采集编码器21和膝关节数据采集编码器22发送的信号判断运动重心位置；
S212：当重心在数据采集腿2一侧时，判定所述有动力腿3处于摆动相，根据预设的摆动相关节轨迹信息控制有动力腿3按照摆动相关节轨迹信息运动；当重心在有动力腿3一侧时，判定所述有动力腿3处于支撑相，根据预设的支撑相关节轨迹信息控制有动力腿3按照支撑相关节轨迹信息运动。
为了进一步说明本实施例的工作过程，步骤S212包括以下子步骤：
接收用户的辅助力度调节信息，并根据所述辅助力度调节信息和用户的体重信息设定初始阻抗参数；
通过对髋关节驱动机构31和膝关节驱动机构32的阻抗控制实现对髋关节驱动机构31和膝关节驱动机构32的输出扭矩控制；
实时检测髋关节驱动机构31和膝关节驱动机构32的实际位置偏差，并按照自适应律动修正所述阻抗控制。
为了进一步说明本实施例的工作过程，步骤S2包括以下子步骤：
S221：当有动力腿3的运动方式为镜像模式时，根据第一足底压力传感器41、第二足底压力传感器51、髋关节数据采集编码器21和膝关节数据采集编码器22发送的信号判断运动重心位置；
S222：当重心在数据采集腿2一侧时，所述主控模块根据第一足底压力传感器41、髋关节数据采集编码器21和膝关节数据采集编码器22发送的信号判断所述数据采集腿2的运动轨迹作为支撑运动数据，并将所述支撑运动数据进行镜像处理后生成镜像支撑信号；当重心在有动力腿3一侧时，所述主控模块根据第一足底压力传感器41、髋关节数据采集编码器21和膝关节数据采集编码器22发送的信号判断所述数据采集腿2的运动轨迹作为摆动运动数据，并将所述摆动运动数据进行镜像处理后生成镜像摆动信号；
S223：当重心在数据采集腿2一侧时，所述主控模块根据所述镜像摆动信号控制所述髋关节驱动机构31和膝关节驱动机构32带动有动力腿3运动；当重心在有动力腿3一侧时，所述主控模块根据所述镜像支撑信号控制所述髋关节驱动机构31和膝关节驱动机构32带动有动力腿3运动；
实施例3
本实施例中，如图1和图2所示，外骨骼主要分为腰部支撑结构1、有动力腿3、数据采集腿2、第一传感鞋4、第二传感鞋5五个部分。外骨骼为非对称设计，一只腿为有电机的有动力腿3，一只腿为没有电机的数据采集腿2；此结构可以设计为左腿为有动力腿3，右腿为数据采集腿2；也可设计为左腿为数据采集腿2，右腿为有动力腿3。
整个外骨骼的主控及主电池放在腰部支撑结构1当中，主控负责对外骨骼的有动力关节进行控制，以及接收传感器的反馈数据，并进行处理；主电池负责提供外骨骼所需电力。
在使用过程中数据采集腿3绑缚在使用者的健侧腿上，通过安装在髋关节和膝关节上的角度传感器，采集健侧腿的动作数据，如抬腿、平地行走、上下楼梯等，并通过通信总线传递到主控。
每只传感鞋上在前后脚掌安装了多个力传感器，力传感器能够采集足底压力的变化，并通过通信总线反馈给主控。
主控接收到数据采集腿以及传感鞋反馈的数据，分析保存后控制动力腿以不同的模式及力度进行动作，其动作模式可以人为设置或者由传感数据融合来自动生成。
在偏瘫患者的实际训练过程中，患者健侧穿戴外骨骼无动力腿，而患侧穿戴有动力腿3。在整个步态训练过程中，将单个步态周期分为支撑相和摆动相2个部分。对于有动力腿来说，在支撑相，有动力腿为患者的患侧腿提供动力来支撑患者体重，并辅助患者进行重心前移的运动；在摆动相，有动力腿为患者的患侧腿提供动力来辅助患侧腿向前摆动，进行迈步动作。而无动力腿由病人健侧腿带动，其本身仅对患者和外骨骼提供一定的支撑力，不对健侧腿的关节提供任何辅助动力。
外骨骼的控制模式分为主被动模式和镜像模式两种，其中主被动模式下外骨骼可以通过调整控制参数来调整外骨骼对人体的辅助力度，镜像模式下外骨骼可以根据患者的个人信息及健侧(无动力腿)运动的模式来调整有动力腿的运动模式，实现个体匹配度较高的个性化步态训练。
如图3所示，在主被动模式下外骨骼有动力腿的关节电机将工作在参考轨迹跟踪模式下，无动力腿将工作在自由摆动模式下；
1)主控通过接收来自传感鞋、外骨骼关节角度数据和姿态数据等传感数据信息进行数据融合分析，进行重心的计算。
2)若重心在健侧，则有动力腿应处于摆动相，此时主控通过发送预设的关节轨迹信息到有动力腿，控制有动力腿根据预设支撑相关节轨迹运动。
3)若重心在患侧，则有动力腿应处于支撑相，此时主控通过发送预设的关节轨迹信息到有动力腿，控制有动力腿根据预设摆动相关节轨迹运动。
在该模式下，外骨骼可以根据病人的实际需要，通过控制有动力腿的电机输出扭矩来进行辅助力度控制，从而实现外骨骼机器人的主被动控制。该主被动控制，电机输出扭矩可通过改变电机输出电流的方式进行改变。具体的流程如下：
辅助力度调节范围为0％到100％。其中100％的辅助力指完全被动模式，患者的腿部运动将完全由动力腿带动，动力腿将按照程序规划的运动轨迹指令进行运动，而忽略患者腿部对机器施加的作用力；0％的辅助力指完全主动模式，动力腿的运动轨迹完全跟随患者的腿部运动轨迹，动力腿的动力单元仅提供力克服其自身重力及质量产生的力矩、惯性力及阻力。其余百分比的辅助力设定以此类推，表示动力腿提供当前运动所需力的百分比，具体实现如图4所示：
(1)设定伺服控制为阻抗控制模式，创建位置偏差与力的对应控制关系。
(2)获取设定的辅助力百分比，获取患者体重信息。
(3)根据设定参数设定控制器初始阻抗参数。
(4)运动开始后发送关节参考位置至驱动单元，实时检测实际位置偏差，根据位置偏差按自适应律动态修改控制器阻抗参数及目标位置，实现电机输出力的实时调整。从而实现主动控制效果。
如图5所示，镜像模式中，外骨骼无动力腿将工作在自由摆动模式下，由患者健侧腿带动进行运动，同时将实时采集到的关节角度数据发送给主控；外骨骼有动力腿的关节电机将工作在参考轨迹跟踪模式下，参考轨迹由前一运动周期采集到的无动力腿关节角度数据生成。
1)主控通过接收来自传感鞋、外骨骼关节角度数据和姿态数据等传感数据信息进行数据融合分析，进行重心的计算。
2)若重心在患侧，则无动力腿处于摆动相，有动力腿处于支撑相，此时无动力腿由病人带着进行运动，无动力腿数据采集模块采集当前处于摆动相的关节角度数据并实时发送至主控，主控对该数据进行滤波、裁剪等处理后存储。同时，主控根据前一个步态周期中从无动力腿处获取的支撑相关节轨迹，进行镜像处理并发送该关节轨迹到有动力腿，有动力腿根据该轨迹控制关节电机进行运动。
3)若重心在健侧，则无动力腿处于支撑相，有动力腿处于摆动相，此时无动力腿由病人带着进行运动，无动力腿数据采集模块采集当前处于支撑相的关节角度数据并实时发送至主控，主控对该数据进行滤波、裁剪等处理后存储。同时，主控根据前一个步态周期中从无动力腿处获取的摆动相关节轨迹，进行镜像处理并发送该关节轨迹到有动力腿，有动力腿根据该轨迹控制关节电机进行运动。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种非对称下肢外骨骼机器人，其特征在于，包括腰部固定装置(1)、数据采集腿(2)、有动力腿(3)、第一传感鞋(4)和第二传感鞋(5)；所述数据采集腿(2)和有动力腿(3)的上部均活动连接于腰部固定装置(1)，所述第一传感鞋(4)安装于所述数据采集腿(2)的下部，所述第二传感鞋(5)安装于所述有动力腿(3)的底部；所述数据采集腿(2)检测膝关节运动数据和髋关节运动数据；所述有动力腿(3)提供动力并带动有动力腿(3)运动；所述第一传感鞋(4)上设置第一足底压力传感器(41)；所述第二传感鞋(5)上设置第二足底压力传感器(51)；
所述数据采集腿(2)包括第一肢段和第二肢段；所述有动力腿(3)包括第三肢段和第四肢段；所述第一肢段上部活动连接于腰部固定装置(1)，且所述第二肢段上部活动连接于第一肢段下部，所述第一传感鞋(4)安装于所述第二肢段下部；所述第三肢段上部活动连接于腰部固定装置(1)，且所述第四肢段上部活动连接于第三肢段下部，所述第二传感鞋(5)安装于所述第四肢段下部；
所述第一肢段上部活动连接于腰部固定装置(1)处设置髋关节数据采集编码器(21)，所述第二肢段上部活动连接于第一肢段下部处设置膝关节数据采集编码器(22)；所述第三肢段上部活动连接于腰部固定装置(1)处设置髋关节驱动机构(31)，所述第四肢段上部活动连接于第三肢段下部处设置膝关节驱动机构(32)；所述腰部固定装置(1)设置有主控模块，且所述主控模块包括预设运动模式和镜像运动模式；
当在预设运动模式下运动时，所述主控模块根据第一足底压力传感器(41)、第二足底压力传感器(51)、髋关节数据采集编码器(21)和膝关节数据采集编码器(22)发送的信号判断运动重心位置；
当重心在数据采集腿(2)一侧时，所述主控模块根据预设的摆动相关节轨迹信息控制有动力腿(3)按照摆动相关节轨迹信息运动；
当重心在有动力腿(3)一侧时，所述主控模块根据预设的支撑相关节轨迹信息控制有动力腿(3)按照支撑相关节轨迹信息运动；
当在镜像运动模式下运动时，所述主控模块根据第一足底压力传感器(41)、第二足底压力传感器(51)、髋关节数据采集编码器(21)和膝关节数据采集编码器(22)发送的信号判断运动重心位置；
当重心在数据采集腿(2)一侧时，所述主控模块根据第一足底压力传感器(41)、髋关节数据采集编码器(21)和膝关节数据采集编码器(22)发送的信号判断所述数据采集腿(2)的运动轨迹作为支撑运动数据，并将所述支撑运动数据进行镜像处理后生成镜像支撑信号；
当重心在有动力腿(3)一侧时，所述主控模块根据第一足底压力传感器(41)、髋关节数据采集编码器(21)和膝关节数据采集编码器(22)发送的信号判断所述数据采集腿(2)的运动轨迹作为摆动运动数据，并将所述摆动运动数据进行镜像处理后生成镜像摆动信号；
当重心在数据采集腿(2)一侧时，所述主控模块根据所述镜像摆动信号控制所述髋关节驱动机构(31)和膝关节驱动机构(32)带动有动力腿(3)运动；当重心在有动力腿(3)一侧时，所述主控模块根据所述镜像支撑信号控制所述髋关节驱动机构(31)和膝关节驱动机构(32)带动有动力腿(3)运动。
2.根据权利要求1所述的一种非对称下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述主控模块还用于接收用户的辅助力度调节信息，并根据所述辅助力度调节信息和用户的体重信息对髋关节驱动机构(31)和膝关节驱动机构(32)的扭矩进行调节。
3.采用权利要求1或2任意一项非对称下肢外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据运动状态将单个步态周期分为支撑相和摆动相；所述支撑相为数据采集腿(2)由用户带动运动，且有动力腿(3)为用户提供支撑和辅助运动；所述摆动相为有动力腿(3)提供动力进行有动力腿(3)的迈步运动；
S2：选择有动力腿(3)的运动方式，并根据第一足底压力传感器(41)、第二足底压力传感器(51)、髋关节数据采集编码器(21)和膝关节数据采集编码器(22)采集的数据对有动力腿(3)在支撑相和摆动相的运动进行控制。
4.根据权利要求3所述的一种非对称下肢外骨骼机器人控制方法，其特征在于，步骤S2包括以下子步骤：
S211：当有动力腿(3)的运动方式为主被动模式时，根据第一足底压力传感器(41)、第二足底压力传感器(51)、髋关节数据采集编码器(21)和膝关节数据采集编码器(22)发送的信号判断运动重心位置；
S212：当重心在数据采集腿(2)一侧时，判定所述有动力腿(3)处于摆动相，根据预设的摆动相关节轨迹信息控制有动力腿(3)按照摆动相关节轨迹信息运动；当重心在有动力腿(3)一侧时，判定所述有动力腿(3)处于支撑相，根据预设的支撑相关节轨迹信息控制有动力腿(3)按照支撑相关节轨迹信息运动。
5.根据权利要求4所述的一种非对称下肢外骨骼机器人控制方法，其特征在于，步骤S212包括以下子步骤：
接收用户的辅助力度调节信息，并根据所述辅助力度调节信息和用户的体重信息设定初始阻抗参数；
通过对髋关节驱动机构(31)和膝关节驱动机构(32)的阻抗控制实现对髋关节驱动机构(31)和膝关节驱动机构(32)的输出扭矩控制；
实时检测髋关节驱动机构(31)和膝关节驱动机构(32)的实际位置偏差，并按照自适应律动修正所述阻抗控制。
6.根据权利要求3所述的一种非对称下肢外骨骼机器人控制方法，其特征在于，步骤S2包括以下子步骤：
S221：当有动力腿(3)的运动方式为镜像模式时，根据第一足底压力传感器(41)、第二足底压力传感器(51)、髋关节数据采集编码器(21)和膝关节数据采集编码器(22)发送的信号判断运动重心位置；
S222：当重心在数据采集腿(2)一侧时，所述主控模块根据第一足底压力传感器(41)、髋关节数据采集编码器(21)和膝关节数据采集编码器(22)发送的信号判断所述数据采集腿(2)的运动轨迹作为支撑运动数据，并将所述支撑运动数据进行镜像处理后生成镜像支撑信号；当重心在有动力腿(3)一侧时，所述主控模块根据第一足底压力传感器(41)、髋关节数据采集编码器(21)和膝关节数据采集编码器(22)发送的信号判断所述数据采集腿(2)的运动轨迹作为摆动运动数据，并将所述摆动运动数据进行镜像处理后生成镜像摆动信号；
S223：当重心在数据采集腿(2)一侧时，所述主控模块根据所述镜像摆动信号控制所述髋关节驱动机构(31)和膝关节驱动机构(32)带动有动力腿(3)运动；当重心在有动力腿(3)一侧时，所述主控模块根据所述镜像支撑信号控制所述髋关节驱动机构(31)和膝关节驱动机构(32)带动有动力腿(3)运动；
S224：重复执行S222和S223直至运动结束。
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