CN116038663B 一种鲍登线柔性助力踝关节下肢外骨骼机器人及控制方法 （河北工业大学）

一种鲍登线柔性助力踝关节下肢外骨骼机本发明为一种鲍登线柔性助力踝关节下肢肢外骨骼机器人的所有IMU惯性测量单元所采集况识别的SVM支持向量机分类模型；在左右大腿有IMU惯性测量单元；控制器同时与下肢外骨骼机器人的所有IMU惯性测量单元电性连接，控制2所述上方减速电机头部通过螺钉固定在上方电机支架上，上方减速电所述下方减速电机头部通过螺钉固定在下方电机支架上，下方减速电上方减速电机与下方减速电机均通过驱动器与主控箱右侧板上端与上方挡板承力架通过螺纹连接固定，右侧板下端与两根鲍登线经相应的线轮均从下方挡板的鲍登线引出所述膝盖绑缚位于膝关节处，膝盖绑缚上设有膝盖绑缚魔术贴点，膝盖3时，脚面上的IMU惯性测量单元惯性测量单元位于人脚面正上方；所述拉环用于连接鲍登性测量单元的两侧的小腿弹性绑带上均设置小腿绑减速电机型号为Maxonmotor574741，线轮的直径为70mm，整个驱动装置的尺寸为200*系统包括PC上位机，PC上位机能够获得下肢外骨骼机器人的所有IMU惯性测量单元所采集肢外骨骼机器人的所有IMU惯性测量单元所采集的步态信息，控制器通过电机驱动器控制4测量单元先将人体运动信息传送回PC上位机，经过PC上位机的SVM支持向量机分类模型来将采集到的角度信息进行人体运动学和动力学分析，得到助力上述各个状态点通过持续采集脚面上的IMU惯性测量单元的信息，利用波峰波谷检测平地行走和上楼运动模式中脚跟离地时的状态点的确定下楼的助力策略：下楼时外骨骼不进行助力，电机5信息因人而异，所以为保证人穿上外骨骼站在平地静止不动状态下脚面上的IMU惯性测量6[0003]近年来，国内对穿戴型下肢外骨骼技和柔性外骨骼机器人，刚性外骨骼可以为穿戴者增加负重能力并提供较大的辅助行走力[0005]下肢柔性助力外骨骼机器人通过合理布置柔性绑缚，驱动模块以及传感器的位7[0011]所述上方减速电机101头部通过螺钉固定在上方电机支架103上，上方减速电机[0012]所述下方减速电机102头部通过螺钉固定在下方电机支架104上，下方减速电机[0014]右侧板114上端与上方挡板承力架107通过螺纹连接固定，右侧板114下端与下方110上对应相应线轮的位置设置有鲍登线引出孔，使得两根鲍登线经相应的线轮均从下方[0019]所述鞋子包括橡胶鞋底901、脚面上的IMU惯性测量单元惯性测量单元902、鞋帮8[0020]在大腿IMU惯性测量单元502两侧的大腿绑缚上设置有大腿绑缚扁平弹簧504，膝小腿鲍登线轨道导向器701和小腿IMU惯性测量单元702的两侧的小腿弹性绑带703上均设[0023]第二方面，本发明提供一种鲍登线柔性助力踝关节下肢外骨骼机器人的控制方够获取下肢外骨骼机器人的所有IMU惯性测量单元所采集的步态信息，控制器通过电机驱关节的加速度、角度和角速度信息后，IMU惯性测量单元先将人体运动信息传送回PC上位9度位置信息及角速度方向，在满足此角度位置信息和角速度方向信息的时刻提供瞬时助关节角度跖屈最大时的状态点到踝关节背屈角度最大时的状态点期间电机停止转动外骨[0029]上述各个状态点通过持续采集脚面上的IMU惯性测量单元的信息，利用波峰波谷[0037]当人穿上外骨骼站在平地上静止不动时，考虑到不同的人穿的鞋子外观形状不站在平地静止不动状态下脚面上的IMU惯性测量单元输出到主控箱的角度修正为0，具体[0040]本发明通过IMU惯性测量单元实时采集人体走路的步态角度信息，然后将数据传件，通过IMU惯性测量单元采集人体运动信息，经信号处理后由主控箱向减速电机发出指[0043]图1为本发明鲍登线柔性助力踝关节下肢外骨骼机器人及控制方法的整体结构示[0044]图2为本发明鲍登线柔性助力踝关节下肢外骨骼机器人及控制方法的驱动装置的[0045]图3为本发明鲍登线柔性助力踝关节下肢外骨骼机器人及控制方法的驱动装置的[0046]图4为本发明鲍登线柔性助力踝关节下肢外骨骼机器人及控制方法的腰部结构展[0047]图5为本发明鲍登线柔性助力踝关节下肢外骨骼机器人及控制方法的大腿绑缚展[0048]图6为本发明鲍登线柔性助力踝关节下肢外骨骼机器人及控制方法的膝盖绑缚展[0049]图7为本发明鲍登线柔性助力踝关节下肢外骨骼机器人及控制方法的小腿绑缚展[0050]图8为本发明鲍登线柔性助力踝关节下肢外骨骼机器人及控制方法的鞋子展开[0056]图14为本发明鲍登线柔性助力踝关节下肢外骨骼机器人的控制方法的总体控制[0059]501大腿鲍登线轨道导向器，502大腿IMU惯性测量单元，5[0061]701小腿鲍登线轨道导向器，702小腿IMU惯性测量单元，7[0066]所述上方减速电机101头部通过螺钉固定在上方电机支架103上，上方减速电机[0067]所述下方减速电机102头部通过螺钉固定在下方电机支架104上，下方减速电机[0069]右侧板114上端与上方挡板承力架107通过螺纹连接固定，右侧板114下端与下方板承力架108通过螺纹连接固定，左侧板113上部设有线轮保护壳，将上方线轮111嵌入其两根鲍登线经相应的线轮均从下方挡板的鲍登线腿绑缚弹性绑带503具有弹性，可以通过大腿绑缚魔术贴点505粘贴在不同位置来调节松道导向器501位于大腿外侧面。在大腿IMU惯性测量单元502两侧的大腿绑缚上设置有大腿导向器701和小腿IMU惯性测量单元702的两侧的小腿弹性绑带703上均设置小腿绑缚扁平[0074]如图8，所述鞋子包括橡胶鞋子底901、脚面上的IMU惯性测量单元惯性测量单元[0076]所述控制器采用正点原子公司阿波罗STM32F429核心板。减速电机的驱动器的型号为ELMO公司的Elmo-G-MOLTWI-15/[0077]所述IMU惯性测量单元采用维特智能公司的九轴蓝牙姿态角度测量传感器，型号[0080]当人穿上外骨骼站在平地上静止不动时，考虑到不同的人穿的鞋子外观形状不单元所采集的步态信息，所述PC上位机中加载有用于进行路况识别的SVM支持向量机分类大腿绑缚上均安装有IMU惯性测量单元(陀螺仪传感器)，在左右小腿中间处的小腿绑缚上制器同时与下肢外骨骼机器人的所有IMU惯性测量单元电性连接，能够获取下肢外骨骼机器人的所有IMU惯性测量单元所采集的步态信息，控制器通过电机驱动器控制驱动装置中鲍登线上的拉力传感器传输回控制器形成闭环控制，此预紧力只是轻轻的将鲍登线拉紧，的SVM支持向量机分类模型来对运动模式进行分类判断，然后PC上位机将识别的运动模式指令发送给控制器，控制器再根据运动模式指令采取相应的助力策略并发送给驱动装置，两条鲍登线，其中靠近右腿的鲍登线依次穿过固定在右大腿绑缚上的鲍登线轨道导向器、同。六个IMU惯性测量单元和驱动装置均与主控箱内的控制器连接，控制器用来处理六个感器位于小腿绑缚和鞋子之间，将鲍登线上拉力的实时数据传输回控制器形成闭环控制，[0091]所述鞋子上脚面位置安装有IMU惯性测量单元，脚后跟位置安装有用于连接鲍登度最大时的状态点(A点)期间电机停止转动外骨骼跟随人体进行自然运动。规定预紧相为[0101]当脚面上的IMU惯性测量单元的信息传送回主控箱时，可通过波峰波谷检测方法[0104]如图10所示，其为上楼行走时脚面上的IMU惯性测量单元采集到的角度和角速度碰撞台阶使角度跌至碰撞谷底时的状态点，因为楼梯台阶的长度小于一般人脚掌的长度，节背屈角度最大时的状态点(A点)期间电机停止转动外骨骼跟随人体进行自然运动。规定预紧相为从A到D，即从踝关节背屈角度最大时的状态点(A点)到脚跟离地时的状态点(D[0108]如图11所示，其为下楼行走时脚面上的IMU惯性测量单元采集到的角度和角速度[0110]如图12所示，其为上坡行走时脚面上的IMU惯性测量单元采集到的角度和角速度点(A点)到脚跟离地时的状态点(C点)，在此期间驱动装置会给鲍登线一个轻微的预紧力，[0114]如图13所示，其为下坡行走时脚面上的IMU惯性测量单元采集到的角度和角速度定预紧相为从A到C，即从踝关节背屈角度最大时的状态点(A点)到脚跟离地时的状态点(C分助力策略仅需要脚面的IMU)下的数据有效性，将IMU惯性测量单元安装在外骨骼大腿前个样本)，建立并且训练PC上位机的SVM支持向量机分类模型(训练集80测试集2