CN103622792A

CN103622792A - 外骨骼助力机器人的信息采集与控制***

Info

Publication number: CN103622792A
Application number: CN201310596567.5A
Authority: CN
Inventors: 闫磊; 苟欢; 王佳流; 肖江; 吴健; 李雁北
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2014-03-12

Abstract

本发明公开了一种外骨骼机器人信息采集与控制***的设计，涉及机器人领域，着重解决多传感器信息采集问题。***在机器人关节处分别安装电机驱动控制的电机。***上共安装四类传感器，包括加速度、压力传感器、旋转编码器和陀螺仪，将压力传感器安装在脚掌主要受力点，将加速度传感器安装在大小腿中间、髋关节进行加速度测量。将陀螺仪安装在腰后中间测量重心，另外采集旋转编码器数据进行校准。根据传感器分布用独立单片机进行数据采集，并采用zigbee无线数据传输，将数据传输至上位机处理，使用VC++软件对数据实时显示，通过CAN总线实现电机的控制。实验证明，本发明能实时采集有效信息并控制，对外骨骼后续研究有重要的参考价值。

Description

外骨骼助力机器人的信息采集与控制***

技术领域

本发明涉及医疗康复领域，特别是涉及一种增强人体步行能力的装置。

背景技术

随着科学进步和人民生活水平的提高，汽车普及率极大增加，人们生活节奏日益加快，交通意外导致的残疾率也逐年增加。同时由于人口出生率的降低，我国正在步入老龄化社会，也在一定程度上增大我国残疾人口的比率。因此外骨骼助力机器人的研究很有意义，它是用于提高人体肢体运动机能的助力装置，帮助残疾人进行下肢运动训练，从而逐步恢复步行能力和增强身体体质。

外骨骼机器人是一种可以让人穿戴的人机一体化的机械装置，它将人类的智力和机器人的“体力”结合在一起，靠人的智力来控制机器人，通过机器人来完成仅靠人的自身无法单独完成的任务。其中信息采集***与控制***更是外骨骼机器人助力的关键部分，对助力效果起到决定性影响。

但是，如今的外骨骼仍然存在很多问题，包括与人体的协调运作问题、多传感器的信息采集与融合问题等。外骨骼在我国的发展仍处于起步阶段，需要投入大量的实验和研究。本发明利用多传感器进行信息有效采集和融合，并对机械装置进行控制，对外骨骼发展有着重要的参考价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种外骨骼助力机器人的信息采集与控制***的设计方法，以实现外骨骼机器人的运行状态监控和对人体的助力，解决现有外骨骼机器人所存在传感器信息采集问题，能实时采集有效信息，从而对机器人进行精准控制。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

提高人体步行能力的外骨骼机器人机械结构是以腰部中心为轴的对称结构，它包括具有4个自由度的随动护腰，护腰通过支架与髋关节驱动装置相连，大腿骨连杆和升降机构将膝关节驱动装置与髋关节驱动装置相连，升降机构针对不同人体的身高差异可进行伸长和缩短；脚踝关节上部与小腿骨连杆相连，在侧面与足底踏板相连，可实现踏板以脚踝关节中心为轴的自由旋转。在足底踏板中间处的连接处为板簧，适应人脚走路时前脚掌的弯曲。当人踏在这个踏板上的时候正常走路，感觉同在地面走路一样。

外骨骼助力机器人的信息采集***独立于机械结构之外，包括位于护腰中部的陀螺仪，髋关节驱动电机的旋转编码器，大腿骨连杆中部加速度传感器，膝关节驱动电机的旋转编码器，小腿骨连杆中部加速度传感器以及安装于足底踏板上的压力传感器。根据外骨骼助力机器人的机械结构和传感器的功能，将压力传感器安装到左右两脚的脚掌处，并结合人体生物学和运动学分析，将它们安装在每个主要受力点，最后通过计算得到平均受力，以此为依据来判断人体运动意图和行走姿态。4个加速度传感器，用来检测机器人腿部运动的加速度和转动角度，用于判断人的行走姿态和后期预测行走意图，使之对人体的助力更加有效。腰后中间的陀螺仪可进行重心的测量，防止机器人跌倒造成的伤害。除此之外，还需采集驱动电机的旋转编码器数据用于判断电机的运行状况是否符合控制要求，方便进行精确控制。根据传感器的分布位置和密集程度，***分别用独立的单片机进行数据采集和初步处理，并采用zigbee无线通讯方式进行数据传输，将数据传输至上位机进行处理。由VC++编写的上位机软件可显示人体起步、行走、停止的状态，并进行实时更新，同时上位机能根据使用者训练进度进行控制策略调整。

外骨骼助力机器人的控制***包括髋关节、膝关节处分别安装的伺服电机和电机驱动器，电机由电机驱动器进行控制，能精确控制其位置和速度，并且能进行测量和反馈。根据信息采集***所获数据和分析结果，此伺服控制***中微控制器中的CAN总线发出指令给电机驱动器，对相应电机进行控制，达到助力行走的效果。

本发明的有益效果是：该机器人能以无线传输的方式采集到各种传感器的有效信息，极大方便人体的动作和信息的实时采集。根据采集到的信息可分析人体运动状况和判断人体运动意图，由控制***对外骨骼机器人的机械结构进行控制，并根据人体康复训练的程度进行速度和位置的调整，使病人能逐渐适应每一段康复训练。从而熟悉走路步态，提高人体步行能力和健康恢复。

附图说明

图1是本发明实施例中的整体机械结构示意图；

图2是本发明实施例中采集与控制***示意图；

图3是本发明实施例中的足底压力传感器的安装位置示意图；

图4是本发明实施例中的上位机软件界面图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明实施例中提供了外骨骼助力机器人的具体实现，它是以腰部中心为轴的对称结构，图1是本发明实施例中的整体机械结构示意图，它包括具有4个自由度的随动护腰1，通过绑带将护腰1与人体腰部连接在一起，可以实现与人体腰部运动的随动。护腰通过支架与髋关节驱动装置3相连，大腿骨连杆4和升降机构5将膝关节驱动装置6与髋关节驱动装置3相连，通过安装在大腿骨连杆4上的调节升降机构5，可以适应不同身高的人穿着这款下肢外骨骼助力机器人。关节驱动装置3、6是电机通过电机轴与整个关节连接，控制关节的转动，为运动提供动力。同时通过定位孔外面加装的长螺栓实现两支座运动间的限位，符合人体下肢生理运动特征，为下肢运动提供过限保护。脚踝关节8上部与小腿骨连杆7相连，在侧面与足底踏板9相连，可实现踏板9以脚踝关节8中心为轴的自由旋转。在足底踏板9中间处的连接处为板簧，适应人脚走路时前脚掌的弯曲。当人通过绑带穿戴上这款外骨骼机器人时，人的下肢和它就是一个整体。双脚踏在这个踏板上的时候正常走路，感觉同在地面走路一样。

同时安装在这款机器人上的传感器会准确感知人体运动轨迹，从而控制安装在髋关节和膝关节的电机，带动下肢的运动以实现助力。

图2是本发明实施例中的采集与控制***示意图，如图2所示，包括以下几个方面：

1，采集外骨骼助力机器人信息的各类传感器

将加速度传感器安装在左右腿的大小腿中间位置10、12，以及对称腿的相应位置，进行运动加速度的测量。此处采用传感器为ADXL345，该传感器由3轴敏感单元感应3个方向的加速度，然后通过电子感应器件将感应到的加速度量转化成模拟量，模拟量经ADC转换为数字量后进行数字滤波并存储在FIFO中，等待主设备通过控制和中断逻辑从串行I/O口读加速度的值。为防止人行走时跌倒造成的伤害，将陀螺仪2安装在腰后中间位置，进行重心的测量。安装在相应驱动电机处的旋转编码器OMORONE6B2-CWZ6C可采集电机的运行速度和位置等信息，将信息采集进控制器之后，就可以判断电机的运行状况是否符合控制要求。

将压力传感器安装在如图3所示的14、15、16、17，经由人体动力学和生物学的综合分析，这四点为人运动时脚掌主要受力点，因此在这四处安装压力传感器FSR402，用于测量足底压力变化值。当压力传感器承受的压力越大，电阻值越小，经过转换电路变化为电压值，再通过信号调理电路后将信号采集到控制器中，进行压力计算，最后可通过适当算法得到平均受力。

2.数据采集部分

根据传感器的分布位置和采集需求，由5块单片机ATmega128对传感器进行数据采集。将各类传感器与单片机正确连接后，写入正确的程序即可采集到相应的数据，由于传感器的不同所以信号类型不同，分为数字量和模拟量两种，模拟信号通过单片机上的AD转换接口变成数字量后，单片机统一进行数据初步处理和传输。

3.数据传输部分

单片机在采集到传感器数据之后，通过与zigbee无线传输模块从节点正确连线，即可将先前采集到的传感器数字信号传输至zigbee模块从节点上，然后再通过无线传输的方式传输至zigbee主节点上。鉴于外骨骼机器人的控制节点较单一，且所有节点信息均汇总到PC机上的主节点，所以采用星型网络传输即可。主节点与PC机通过串口相连，在接收到信息之后主节点即可准确无误的把信息传输至上位机。

4.数据分析与显示

通过串口接收到的zigbee主节点传输的数据，即可得到各个传感器数值，代表着人体各部位的状态和电机工作情况。经过上位机适当的数据处理后，利用VC++软件开发环境来对上位机编写功能代码和图形用户界面，即可通过采集到的数据分析人体当前步行状态和康复训练状况，对后期外骨骼机器人的控制起着举足轻重的作用。上位机软件的界面如图4所示。

5.对机械结构的控制

外骨骼助力机器人的控制***采用带有CAN口的AT90CAN128控制器作为核心，由CAN总线控制安装在机械结构上面的电机驱动器，然后再通过驱动器控制电机的运转实现外骨骼机器人的助力。并且可根据不同人体的训练状况和康复进度进行控制策略的调整。

本外骨骼机器人工作过程如下；首先由康复治疗师将此机器人通过绑带式结构穿戴在患者身上，根据不同的康复训练进行控制方案的改变。康复初期的训练方案一般是程序设定的固定步态，人体基本是随动的动作。经过一段时间的适应训练之后，人体可进行自助动作，该机器人为随动机构，然后通过信息采集***的数据采集和分析之后，制定控制方案对人体进行助力。经过这种反复训练，帮助患者增强步行能力，达到康复效果。

由上可见，本发明中的一种外骨骼助力机器人信息采集和控制***能够利用多种传感器实时采集该助力机器人的运动状况、自身位置等信息，通过数据分析后通过伺服电机对机械机构进行驱动，从而实现对外骨骼机器人的智能控制，对外骨骼后续研究有着重要的参考价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种外骨骼助力机器人包括护腰1，髋关节驱动装置3，大腿骨连杆4，升降机构5，膝关节驱动装置6，小腿骨连杆7，脚踝关节8，足底踏板9，信息采集与控制***；其信息采集与控制******包括：位于护腰中部的陀螺仪2，髋关节驱动电机和电机编码器13，大腿骨连杆中部加速度传感器12，膝关节驱动电机和电机编码器11，小腿骨连杆中部加速度传感器10，安装于足底踏板9处的压力传感器。其特征在于，由安装在机器人机构上的各类传感器采集运动状态信息，经单片机将信息采集和初步处理，再由zigbee模块进行无线数据传输，最后由上位机进行接收处理并显示；同时，控制***根据接收到的传感器数据对伺服电机11、13发出指令，电机动作达到助力效果。

2.根据权利要求1所述的***中伺服控制***主要采用伺服电机进行助力，伺服电机由电机驱动器进行控制，与电机转轴相连的旋转编码器可实时测量电机转动的角度和速度，将信息反馈给控制***使之控制更加精确有效。

3.根据权利要求1和要求2所述***中的伺服控制***，由带CAN的微控制器发出指令到CAN总线上，对相应电机进行控制。

4.根据权利要求1所述***，为防止机器人意外跌倒引起的伤害，在外骨骼机器人护腰中部安装陀螺仪2进行重心测量。

5.根据权利要求1所述***，大腿骨连杆中部加速度传感器12和小腿骨连杆中部加速度传感器10，以及对称腿的相应位置共4个加速度传感器，用来检测机器人腿部运动的加速度和转动角度，用于判断人的行走姿态和后期预测行走意图，使之对人体的助力更加有效。

6.根据权利要求1所述***，结合人体生物学和运动学分析，在足底踏板9处安装4个压力传感器，传感器分布在脚底4个主要受力点，用于检测人体行走时足部的压力，以此为依据来判断人体运动意图和行走姿态。

7.根据权利要求1所述***，传感器信息经单片机采集然后传输至上位机，由VC++编写的上位机软件可显示人体起步、行走、停止的状态，并进行实时更新，同时上位机能根据使用者训练进度进行控制策略调整，极大方便用户操作。

8.根据权利要求1和7所述的***，其特征在于，所述数据传输方式为zigbee无线传输，以星型网络方式将信息汇总到上位机上的主节点，此传输方式的优势在于完全不会妨碍用户行走，且传输效率较高。