外骨骼助力機(jī)器人的信息采集與控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種外骨骼機(jī)器人信息采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，涉及機(jī)器人領(lǐng)域，著重解決多傳感器信息采集問(wèn)題。系統(tǒng)在機(jī)器人關(guān)節(jié)處分別安裝電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的電機(jī)。系統(tǒng)上共安裝四類傳感器，包括加速度、壓力傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器和陀螺儀，將壓力傳感器安裝在腳掌主要受力點(diǎn)，將加速度傳感器安裝在大小腿中間、髖關(guān)節(jié)進(jìn)行加速度測(cè)量。將陀螺儀安裝在腰后中間測(cè)量重心，另外采集旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。根據(jù)傳感器分布用獨(dú)立單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并采用zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)處理，使用VC++軟件對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制。實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明能實(shí)時(shí)采集有效信息并控制，對(duì)外骨骼后續(xù)研究有重要的參考價(jià)值。
【專利說(shuō)明】外骨骼助力機(jī)器人的信息采集與控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，特別是涉及一種增強(qiáng)人體步行能力的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)進(jìn)步和人民生活水平的提高，汽車普及率極大增加，人們生活節(jié)奏日益加快，交通意外導(dǎo)致的殘疾率也逐年增加。同時(shí)由于人口出生率的降低，我國(guó)正在步入老齡化社會(huì)，也在一定程度上增大我國(guó)殘疾人口的比率。因此外骨骼助力機(jī)器人的研究很有意義，它是用于提高人體肢體運(yùn)動(dòng)機(jī)能的助力裝置，幫助殘疾人進(jìn)行下肢運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，從而逐步恢復(fù)步行能力和增強(qiáng)身體體質(zhì)。
[0003]外骨骼機(jī)器人是一種可以讓人穿戴的人機(jī)一體化的機(jī)械裝置，它將人類的智力和機(jī)器人的“體力”結(jié)合在一起，靠人的智力來(lái)控制機(jī)器人，通過(guò)機(jī)器人來(lái)完成僅靠人的自身無(wú)法單獨(dú)完成的任務(wù)。其中信息采集系統(tǒng)與控制系統(tǒng)更是外骨骼機(jī)器人助力的關(guān)鍵部分，對(duì)助力效果起到?jīng)Q定性影響。
[0004]但是，如今的外骨骼仍然存在很多問(wèn)題，包括與人體的協(xié)調(diào)運(yùn)作問(wèn)題、多傳感器的信息采集與融合問(wèn)題等。外骨骼在我國(guó)的發(fā)展仍處于起步階段，需要投入大量的實(shí)驗(yàn)和研究。本發(fā)明利用多傳感器進(jìn)行 信息有效采集和融合，并對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行控制，對(duì)外骨骼發(fā)展有著重要的參考價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種外骨骼助力機(jī)器人的信息采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和對(duì)人體的助力，解決現(xiàn)有外骨骼機(jī)器人所存在傳感器信息采集問(wèn)題，能實(shí)時(shí)采集有效信息，從而對(duì)機(jī)器人進(jìn)行精準(zhǔn)控制。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0007]提高人體步行能力的外骨骼機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)是以腰部中心為軸的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，它包括具有4個(gè)自由度的隨動(dòng)護(hù)腰，護(hù)腰通過(guò)支架與髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置相連，大腿骨連桿和升降機(jī)構(gòu)將膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置與髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置相連，升降機(jī)構(gòu)針對(duì)不同人體的身高差異可進(jìn)行伸長(zhǎng)和縮短；腳踝關(guān)節(jié)上部與小腿骨連桿相連，在側(cè)面與足底踏板相連，可實(shí)現(xiàn)踏板以腳踝關(guān)節(jié)中心為軸的自由旋轉(zhuǎn)。在足底踏板中間處的連接處為板簧，適應(yīng)人腳走路時(shí)前腳掌的彎曲。當(dāng)人踏在這個(gè)踏板上的時(shí)候正常走路，感覺(jué)同在地面走路一樣。
[0008]外骨骼助力機(jī)器人的信息采集系統(tǒng)獨(dú)立于機(jī)械結(jié)構(gòu)之外，包括位于護(hù)腰中部的陀螺儀，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器，大腿骨連桿中部加速度傳感器，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器，小腿骨連桿中部加速度傳感器以及安裝于足底踏板上的壓力傳感器。根據(jù)外骨骼助力機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳感器的功能，將壓力傳感器安裝到左右兩腳的腳掌處，并結(jié)合人體生物學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，將它們安裝在每個(gè)主要受力點(diǎn)，最后通過(guò)計(jì)算得到平均受力，以此為依據(jù)來(lái)判斷人體運(yùn)動(dòng)意圖和行走姿態(tài)。4個(gè)加速度傳感器，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)的加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，用于判斷人的行走姿態(tài)和后期預(yù)測(cè)行走意圖，使之對(duì)人體的助力更加有效。腰后中間的陀螺儀可進(jìn)行重心的測(cè)量，防止機(jī)器人跌倒造成的傷害。除此之外，還需采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)用于判斷電機(jī)的運(yùn)行狀況是否符合控制要求，方便進(jìn)行精確控制。根據(jù)傳感器的分布位置和密集程度，系統(tǒng)分別用獨(dú)立的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和初步處理，并采用zigbee無(wú)線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行處理。由VC++編寫的上位機(jī)軟件可顯示人體起步、行走、停止的狀態(tài)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，同時(shí)上位機(jī)能根據(jù)使用者訓(xùn)練進(jìn)度進(jìn)行控制策略調(diào)整。
[0009]外骨骼助力機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)處分別安裝的伺服電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，能精確控制其位置和速度，并且能進(jìn)行測(cè)量和反饋。根據(jù)信息采集系統(tǒng)所獲數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，此伺服控制系統(tǒng)中微控制器中的CAN總線發(fā)出指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)相應(yīng)電機(jī)進(jìn)行控制，達(dá)到助力行走的效果。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:該機(jī)器人能以無(wú)線傳輸?shù)姆绞讲杉礁鞣N傳感器的有效信息，極大方便人體的動(dòng)作和信息的實(shí)時(shí)采集。根據(jù)采集到的信息可分析人體運(yùn)動(dòng)狀況和判斷人體運(yùn)動(dòng)意圖，由控制系統(tǒng)對(duì)外骨骼機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，并根據(jù)人體康復(fù)訓(xùn)練的程度進(jìn)行速度和位置的調(diào)整，使病人能逐漸適應(yīng)每一段康復(fù)訓(xùn)練。從而熟悉走路步態(tài)，提高人體步行能力和健康恢復(fù)。 【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中采集與控制系統(tǒng)示意圖；
[0013]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中的足底壓力傳感器的安裝位置示意圖；
[0014]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中的上位機(jī)軟件界面圖；
【具體實(shí)施方式】
[0015]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0016]本發(fā)明實(shí)施例中提供了外骨骼助力機(jī)器人的具體實(shí)現(xiàn)，它是以腰部中心為軸的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圖1是本發(fā)明實(shí)施例中的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，它包括具有4個(gè)自由度的隨動(dòng)護(hù)腰1，通過(guò)綁帶將護(hù)腰I與人體腰部連接在一起，可以實(shí)現(xiàn)與人體腰部運(yùn)動(dòng)的隨動(dòng)。護(hù)腰通過(guò)支架與髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置3相連，大腿骨連桿4和升降機(jī)構(gòu)5將膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置6與髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置3相連，通過(guò)安裝在大腿骨連桿4上的調(diào)節(jié)升降機(jī)構(gòu)5，可以適應(yīng)不同身高的人穿著這款下肢外骨骼助力機(jī)器人。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置3、6是電機(jī)通過(guò)電機(jī)軸與整個(gè)關(guān)節(jié)連接，控制關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，為運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。同時(shí)通過(guò)定位孔外面加裝的長(zhǎng)螺栓實(shí)現(xiàn)兩支座運(yùn)動(dòng)間的限位，符合人體下肢生理運(yùn)動(dòng)特征，為下肢運(yùn)動(dòng)提供過(guò)限保護(hù)。腳踝關(guān)節(jié)8上部與小腿骨連桿7相連，在側(cè)面與足底踏板9相連，可實(shí)現(xiàn)踏板9以腳踝關(guān)節(jié)8中心為軸的自由旋轉(zhuǎn)。在足底踏板9中間處的連接處為板簧，適應(yīng)人腳走路時(shí)前腳掌的彎曲。當(dāng)人通過(guò)綁帶穿戴上這款外骨骼機(jī)器人時(shí)，人的下肢和它就是一個(gè)整體。雙腳踏在這個(gè)踏板上的時(shí)候正常走路，感覺(jué)同在地面走路一樣。
[0017]同時(shí)安裝在這款機(jī)器人上的傳感器會(huì)準(zhǔn)確感知人體運(yùn)動(dòng)軌跡，從而控制安裝在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的電機(jī)，帶動(dòng)下肢的運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)助力。[0018]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中的采集與控制系統(tǒng)示意圖，如圖2所示，包括以下幾個(gè)方面:
[0019]1，采集外骨骼助力機(jī)器人信息的各類傳感器
[0020]將加速度傳感器安裝在左右腿的大小腿中間位置10、12，以及對(duì)稱腿的相應(yīng)位置，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)加速度的測(cè)量。此處采用傳感器為ADXL345，該傳感器由3軸敏感單元感應(yīng)3個(gè)方向的加速度，然后通過(guò)電子感應(yīng)器件將感應(yīng)到的加速度量轉(zhuǎn)化成模擬量，模擬量經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后進(jìn)行數(shù)字濾波并存儲(chǔ)在FIFO中，等待主設(shè)備通過(guò)控制和中斷邏輯從串行I/O口讀加速度的值。為防止人行走時(shí)跌倒造成的傷害，將陀螺儀2安裝在腰后中間位置，進(jìn)行重心的測(cè)量。安裝在相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)處的旋轉(zhuǎn)編碼器0M0R0NE6B2-CWZ6C可采集電機(jī)的運(yùn)行速度和位置等信息，將信息采集進(jìn)控制器之后，就可以判斷電機(jī)的運(yùn)行狀況是否符合控制要求。
[0021]將壓力傳感器安裝在如圖3所示的14、15、16、17，經(jīng)由人體動(dòng)力學(xué)和生物學(xué)的綜合分析，這四點(diǎn)為人運(yùn)動(dòng)時(shí)腳掌主要受力點(diǎn)，因此在這四處安裝壓力傳感器FSR402，用于測(cè)量足底壓力變化值。當(dāng)壓力傳感器承受的壓力越大，電阻值越小，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路變化為電壓值，再通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后將信號(hào)采集到控制器中，進(jìn)行壓力計(jì)算，最后可通過(guò)適當(dāng)算法得到平均受力。
[0022]2.數(shù)據(jù)采集部分
[0023]根據(jù)傳感器的分布位置和采集需求，由5塊單片機(jī)ATmegal28對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將各類傳感器與單片機(jī)正確連接后，寫入正確的程序即可采集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，由于傳感器的不同所以信號(hào)類型不同，分為數(shù)字量和模擬量?jī)煞N，模擬信號(hào)通過(guò)單片機(jī)上的AD轉(zhuǎn)換接口變成數(shù)字量后，單片機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理和傳輸。
[0024]3.數(shù)據(jù)傳輸部分
[0025]單片機(jī)在采集到傳感器數(shù)據(jù)之后，通過(guò)與zigbee無(wú)線傳輸模塊從節(jié)點(diǎn)正確連線，即可將先前采集到的傳感器數(shù)字信號(hào)傳輸至zigbee模塊從節(jié)點(diǎn)上，然后再通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鬏斨羫igbee主節(jié)點(diǎn)上。鑒于外骨骼機(jī)器人的控制節(jié)點(diǎn)較單一，且所有節(jié)點(diǎn)信息均匯總到PC機(jī)上的主節(jié)點(diǎn)，所以采用星型網(wǎng)絡(luò)傳輸即可。主節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)通過(guò)串口相連，在接收到信息之后主節(jié)點(diǎn)即可準(zhǔn)確無(wú)誤的把信息傳輸至上位機(jī)。
[0026]4.數(shù)據(jù)分析與顯示
[0027]通過(guò)串口接收到的zigbee主節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，即可得到各個(gè)傳感器數(shù)值，代表著人體各部位的狀態(tài)和電機(jī)工作情況。經(jīng)過(guò)上位機(jī)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理后，利用VC++軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)對(duì)上位機(jī)編寫功能代碼和圖形用戶界面，即可通過(guò)采集到的數(shù)據(jù)分析人體當(dāng)前步行狀態(tài)和康復(fù)訓(xùn)練狀況，對(duì)后期外骨骼機(jī)器人的控制起著舉足輕重的作用。上位機(jī)軟件的界面如圖4所示。
[0028]5.對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制
[0029]外骨骼助力機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用帶有CAN 口的AT90CAN128控制器作為核心，由CAN總線控制安裝在機(jī)械結(jié)構(gòu)上面的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，然后再通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人的助力。并且可根據(jù)不同人體的訓(xùn)練狀況和康復(fù)進(jìn)度進(jìn)行控制策略的調(diào)整。
[0030]本外骨骼機(jī)器人工作過(guò)程如下；首先由康復(fù)治療師將此機(jī)器人通過(guò)綁帶式結(jié)構(gòu)穿戴在患者身上，根據(jù)不同的康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行控制方案的改變?？祻?fù)初期的訓(xùn)練方案一般是程序設(shè)定的固定步態(tài)，人體基本是隨動(dòng)的動(dòng)作。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的適應(yīng)訓(xùn)練之后，人體可進(jìn)行自助動(dòng)作，該機(jī)器人為隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，然后通過(guò)信息采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和分析之后，制定控制方案對(duì)人體進(jìn)行助力。經(jīng)過(guò)這種反復(fù)訓(xùn)練，幫助患者增強(qiáng)步行能力，達(dá)到康復(fù)效果。
[0031]由上可見(jiàn)，本發(fā)明中的一種外骨骼助力機(jī)器人信息采集和控制系統(tǒng)能夠利用多種傳感器實(shí)時(shí)采集該助力機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀況、自身位置等信息，通過(guò)數(shù)據(jù)分析后通過(guò)伺服電機(jī)對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外骨骼機(jī)器人的智能控制，對(duì)外骨骼后續(xù)研究有著重要的參考價(jià)值。
[0032]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種外骨骼助力機(jī)器人包括護(hù)腰I，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置3，大腿骨連桿4，升降機(jī)構(gòu)5，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置6，小腿骨連桿7，腳踝關(guān)節(jié)8，足底踏板9，信息采集與控制系統(tǒng)；其信息采集與控制系統(tǒng)系統(tǒng)包括:位于護(hù)腰中部的陀螺儀2，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)編碼器13，大腿骨連桿中部加速度傳感器12，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)編碼器11，小腿骨連桿中部加速度傳感器10，安裝于足底踏板9處的壓力傳感器。其特征在于，由安裝在機(jī)器人機(jī)構(gòu)上的各類傳感器采集運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，經(jīng)單片機(jī)將信息采集和初步處理，再由zigbee模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，最后由上位機(jī)進(jìn)行接收處理并顯示；同時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的傳感器數(shù)據(jù)對(duì)伺服電機(jī)11、13發(fā)出指令，電機(jī)動(dòng)作達(dá)到助力效果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)中伺服控制系統(tǒng)主要采用伺服電機(jī)進(jìn)行助力，伺服電機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，與電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連的旋轉(zhuǎn)編碼器可實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和速度，將信息反饋給控制系統(tǒng)使之控制更加精確有效。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和要求2所述系統(tǒng)中的伺服控制系統(tǒng)，由帶CAN的微控制器發(fā)出指令到CAN總線上，對(duì)相應(yīng)電機(jī)進(jìn)行控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，為防止機(jī)器人意外跌倒引起的傷害，在外骨骼機(jī)器人護(hù)腰中部安裝陀螺儀2進(jìn)行重心測(cè)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，大腿骨連桿中部加速度傳感器12和小腿骨連桿中部加速度傳感器10，以及對(duì)稱腿的相應(yīng)位置共4個(gè)加速度傳感器，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)的加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，用于判斷人的行走姿態(tài)和后期預(yù)測(cè)行走意圖，使之對(duì)人體的助力更加有效。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，結(jié)合人體生物學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，在足底踏板9處安裝4個(gè)壓力傳感器，傳感器分布在腳底4個(gè)主要受力點(diǎn)，用于檢測(cè)人體行走時(shí)足部的壓力，以此為依據(jù)來(lái)判斷人體運(yùn)動(dòng)意圖和行走姿態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述系統(tǒng)，傳感器信息經(jīng)單片機(jī)采集然后傳輸至上位機(jī)，由VC++編寫的上位機(jī)軟件可顯示人體起步、行走、停止的狀態(tài)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，同時(shí)上位機(jī)能根據(jù)使用者訓(xùn)練進(jìn)度進(jìn)行控制策略調(diào)整，極大方便用戶操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1和7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)傳輸方式為zigbee無(wú)線傳輸，以星型網(wǎng)絡(luò)方式將信息匯總到上位機(jī)上的主節(jié)點(diǎn)，此傳輸方式的優(yōu)勢(shì)在于完全不會(huì)妨礙用戶行走，且傳輸效率較高。
【文檔編號(hào)】A63B23/02GK103622792SQ201310596567
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】閆磊, 茍歡, 王佳流, 肖江, 吳健, 李雁北 申請(qǐng)人:北京林業(yè)大學(xué)