一种穿戴式登山助力机器人及其助力控制方法
阅读说明：本技术 一种穿戴式登山助力机器人及其助力控制方法 (Wearable mountain-climbing assistance robot and assistance control method thereof ) 是由 杨巍 刘晓广 谷海燕 徐铃辉 杨一帆 余林繁 杨灿军 于 2020-12-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种穿戴式助力机器人,特别是一种穿戴式登山助力机器人,包括：穿戴式机械外骨骼,在每个步态周期中该穿戴式机械外骨骼的同侧髋关节主动输出屈曲方向助力矩,而非同侧髋关节则同步的主动输出伸展方向助力矩；惯性测量单元,在每个步态周期中测量人体双腿的髋关节角度值、角速度值；微处理器,在每个步态周期中根据惯性测量单元的反馈值得到步行相角,从而通过建立映射模型得到步行相角与参数化助力曲线的函数关系,然后由微处理器输出PWM驱动信号控制穿戴式机械外骨骼的髋关节主动输出参数化助力曲线对应的助力矩。同时,本发明还设计一种助力控制方法。本发明解决了“登山助力在线调节”的技术问题,优化登山助力体验。(The invention relates to a wearable power-assisted robot, in particular to a wearable mountain-climbing power-assisted robot, which comprises: the same-side hip joint of the wearable mechanical exoskeleton actively outputs a flexion direction assistance moment in each gait cycle, and the non-same-side hip joint synchronously and actively outputs a stretching direction assistance moment; the inertia measurement unit is used for measuring hip joint angle values and angular velocity values of two legs of a human body in each gait cycle; and the microprocessor is used for obtaining a walking phase angle according to the feedback value of the inertia measurement unit in each gait cycle, so that a functional relation between the walking phase angle and the parameterized power-assisted curve is obtained by establishing a mapping model, and then the microprocessor outputs a PWM (pulse width modulation) driving signal to control the hip joint of the wearable mechanical exoskeleton to actively output the power-assisted moment corresponding to the parameterized power-assisted curve. Meanwhile, the invention also designs a power-assisted control method. The invention solves the technical problem of 'mountain-climbing assistance on-line adjustment' and optimizes mountain-climbing assistance experience.)
技术领域
本发明涉及一种穿戴式助力机器人，特别是一种穿戴式登山助力机器人，以及一种穿戴式登山助力机器人的助力控制方法。
背景技术
随着登山旅游业的发展，登山辅助装备也日益增多，其目的主要是帮助旅客能够在登山过程中减少体力过度消耗，降低旅客下肢关节损耗，提升在登山欣赏风景时候的整体体验。
例如，申请号CN201810679111.8的中国发明专利申请文件中所记载的一种四作用力系登山辅助带，包括左肩带、右肩带、连接松紧带、股二头肌托带、锁紧环，左肩带和右肩带的前面下方固定有带扣，带扣用于连接股二头肌托带；左肩带和右肩带的后面上方通过所述连接松紧带连接；使用时，左肩带、右肩带分别穿入左肩、右肩，股二头肌托带中部紧贴在臀部下方的股二头肌部位，股二头肌托带从位于腹部的锁紧环中穿出后，两端分别连接在两个带扣中。本发明通过左肩对左肩带的支撑力，右肩对右肩带的支撑力，股二头肌托带对左臀部下方股二头肌的支撑力，股二头肌托带对右臀部下方股二头肌的支撑力，形成四作用力系，促使大腿后面的二头肌分担前面的四头肌的工作，就会感觉登山、上楼梯时比较轻松了。
申请号CN201910526884.7的中国发明专利申请文件中所记载的一种登山辅助工具，包括第一辅助板和第二辅助板，所述第一辅助板和第二辅助板之间还设有第一活动装置和第二活动装置，所述第一辅助板和第二辅助板之间通过卡轴转动连接，所述第一活动装置包括第一支撑杆，所述第一支撑杆的一端转动连接在卡轴上，所述第一支撑杆背离卡轴的一端固定连接有第一弧形管，所述第一弧形管通过第一连接板固定连接有第二弧形杆。本发明在缓冲气囊膨胀的时候，第一辅磁石慢慢的靠近第一主磁石的一侧，之间会产生排斥力，当膝盖弯曲的时候该排斥力会起到支撑身体重量的作用，从而减少对膝盖承重的负担，当身体向上移动的时候排斥力会产生向上的支撑力，同时可以对膝盖起到减负的作用。
申请号CN201710568278.2的中国发明专利申请文件中所记载的一种登山助力装置，包括有脚套、底板和支撑板，所述底板分设前底板与后底板，所述脚套设置在前底板上，前底板后端铰接后底板前端，后底板后端铰接下支撑板下端，下支撑板上端两侧设有左右连接板，连接板上设有滑槽，上支撑板上端铰接有大腿上套环，上支撑板下端两侧设有左右连接杆，连接杆外端铰接有大腿下套环，所述下支撑板通过连接板转动设置在连接杆上，且连接板通过滑槽可在连接杆上上下移动，所述左右连接杆上套接有扭簧，扭簧一端固定在上支撑板上，扭簧另一端固定在下支撑板上。本发明减少登山时膝关节的负荷，使登山更加省力。
现有产品目前存在的问题如下：
(1)现有登山助力辅助装置主要通过被动机构(扭簧、弹性织带、磁铁排斥力)通过能量存储释放的形式起到登山助力作用，虽然机构相对简单，但是助力值均不大，难以起到明显助力效果，且能量存储过程必须在人体下肢关节肌力运动做负功的时候，如果触发能量存储的时机不对容易对人体造成额外负担。
(2)现有国内外研究实验表明一般登山助力辅助装置提供人体自身发力30％以内的关节力矩时，可以在不影响人体步态的情况下提供助力效果，超过30％后会对人体产生较为明显的影响，从而导致助力体验较差。而不同个体负载或不同台阶高度会影响正常登山关节所需力矩，这就需要登山助力辅助装置能够实时感知人体登山过程中的状态，在线调节助力曲线以适配人体所需，从而达到高效舒适的助力体验。现有助力机构设计形式导致其助力过程中，一方面助力值无法改变，对不同人不同登山地形适应性差，另一方面，无法通过在线调整一个步行周期内的助力曲线来优化助力效果，使得登山助力形式单一，效果大打折扣。
(3)现有方案针对登山助力时机和能量存储时机均未明确涉及，其助力控制方法缺少明确方案，因此登山助力效果难以评估。
(4)现有方案仅针对登山过程中下肢关节起到一定的助力作用，但对于下山时候关节缓冲保护没有提及有效解决方案。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种穿戴式登山助力机器人及其助力控制方法。
为了实现上述目的，本发明所设计的一种穿戴式登山助力机器人，包括：
穿戴式机械外骨骼，在每个步态周期中该穿戴式机械外骨骼的同侧髋关节主动输出屈曲方向助力矩，而非同侧髋关节则同步的主动输出伸展方向助力矩；
惯性测量单元，在每个步态周期中测量人体双腿的髋关节角度值、角速度值，并实时反馈至微处理器；
微处理器，在每个步态周期中根据惯性测量单元测量关节角度值、角速度值，利用式(1)得到步行相角，从而通过建立映射模型得到步行相角与参数化助力曲线的函数关系，如式(2)所示；
其中，τi为相角值阶段的期望助力矩值，ωmax，ωm，ω分别为人体上台阶过程中髋关节屈伸角速度设定最大值、设定平均值以及实际采集值，τmax为预设最大人体上台阶驱动力矩；
然后，由微处理器输出PWM驱动信号控制穿戴式机械外骨骼的髋关节主动输出相角占比及助力矩参数τi对应的助力矩；
以及，电源单元，为穿戴式机械外骨骼和微处理器各自提供工作电源；
其中，穿戴式机械外骨骼与微处理器电连接，惯性测量单元与微处理器电连接，电源部分独立与穿戴式机械外骨骼和微处理器电连接。
同时，本发明中还设计一种穿戴式登山助力机器人的助力控制方法，其包括以下的步骤：
步骤一，在每个步态周期中惯性测量单元测量人体双腿的关节角度值、角速度值，并实时反馈至微处理器的步骤；
步骤二，在每个步态周期中微处理器根据惯性测量单元测量关节角度值、角速度值，利用式(1)得到步行相角，从而通过建立映射模型得到步行相角与参数化助力曲线的函数关系，如式(2)所示；
其中，τi为相角值阶段的期望助力矩值，ωmax，ωm，ω分别为人体上台阶过程中髋关节屈伸角速度设定最大值、设定平均值以及实际采集值，τmax为预设最大人体上台阶驱动力矩；
步骤三，在每个步态周期中由微处理器输出PWM驱动信号控制穿戴式机械外骨骼的髋关节主动输出相角占比及助力矩参数τi对应的助力矩的步骤。
一种优选技术方案，上述穿戴式机械外骨骼的具体结构为：
所述穿戴式机械外骨骼包括一个左大腿绑带、一个右大腿绑带、一个左大腿杆、一个右大腿杆、一个左伺服减速电机、一个右伺服减速电机、一个左侧关节连接板、一个右侧关节连接板、一个左侧后背板、一个右侧后背板、一个胯部绑紧机构以及一个腰部绑紧机构；
在穿戴时，其中左大腿杆位于人体左大腿的外旁侧，并沿着左大腿径直的延伸；右大腿杆位于人体右大腿的外旁侧，并沿着右大腿径直的延伸；左伺服减速电机位于人体左髋关节的外旁侧，且其动力输出端径直朝向左髋关节；右伺服减速电机位于人体右髋关节的外旁侧，且其动力输出端径直朝向右髋关节；左侧后背板和右侧后背板均位于人体腰部的后侧；
其中，左大腿杆的下端连接左大腿绑带，其上端连接至左伺服减速电机的动力输出端上，左伺服减速电机通过左侧关节连接板固定至左侧后背板上；右大腿杆的下端连接右大腿绑带，其上端连接至右伺服减速电机的动力输出端上，右伺服减速电机通过右侧连接板固定至右侧后背板上；胯部绑紧机构与腰部绑紧机构一同固定至左侧后背板与右侧后背板上；
其中，在左大腿杆与右大腿杆的下端各自固定一个惯性测量单元；电源部分固定至胯部绑紧机构与腰部绑紧机构上，微处理器固定至左侧后背板与右侧后背板上。
进一步优选的，为了提升整套穿戴式机械外骨骼的结构稳定性，在上述左侧后背板与右侧后背板之间可以再增设一个加强板，且分别与左侧后背板以及右侧后背板相固定。
本发明得到的一种穿戴式登山助力机器人及其助力控制方法，其具备以下的优点：
(1)在登山过程中针对每个步态周期，可在线规划助力曲线，实现对单个步行周期过程中每个阶段的精准助力波形调控，从而使得登山助力体验优化，提高人体使用舒适性。
(2)借助同时穿戴在人体大腿处的惯性测量单元(姿态传感器)实现人体登山步行运动状态监测，作为助力时机的决策参考，从而实现助力时机的精准施加，解决现有产品存在的助力滞后、助力时机紊乱等问题。
(3)采用电机驱动结构实现主动助力，配合穿戴式机器人设计，可实现更大的助力效果和更舒适的助力体验。
(4)由于采用电机驱动实现主动助力，在下山过程中借助电机反驱的阻力可以给穿戴者下山起到缓冲保护作用。
本发明可作为一种有效的登山辅助助力装置，为登山旅客提供明显的省力效果，促进广大群众登山赏景的意愿，同时起到强身健体作用。另外，将该类产品投放于各旅游景点，以租赁方式租赁给旅客，对于旅游景点创造更多营收价值也具有直观作用。
附图说明
图1是一种穿戴式登山助力机器人的系统示意图；
图中：穿戴式机械外骨骼100、惯性测量单元200、微处理器300、电源部分400；
图2是第一种穿戴式机械外骨骼的示意图一(正面)；
图3是第一种穿戴式机械外骨骼的示意图二(背面)；
图中：左大腿绑带1、右大腿绑带2、左大腿杆3、右大腿杆4、左伺服减速电机5、右伺服减速电机6、左侧关节连接板7、右侧关节连接板8、左侧后背板9、右侧后背板10、胯部绑紧机构11、腰部绑紧机构12、加强板13；
图4是第二种穿戴式机械外骨骼的示意图；
图5是针对助力值和助力方向准确调控的算法示意图；
图6是助力曲线生成流程示意图；
图7是登山过程助力机器人输出力矩示意图；
图8是下山过程助力机器人能量回收示意图；
图9是第三种穿戴式机械外骨骼的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应该属于本发明保护的范围。
如图1所示，作为本发明提供的一种实施方式，本实施例中所提供的一种穿戴式登山助力机器人，其包括：
穿戴式机械外骨骼100，在每个步态周期中该穿戴式机械外骨骼的同侧髋关节主动输出屈曲方向助力矩，而非同侧髋关节则同步的主动输出伸展方向助力矩；
惯性测量单元200，在每个步态周期中测量人体双腿的髋关节角度值、角速度值，并实时反馈至微处理器；
微处理器300，在每个步态周期中根据惯性测量单元测量关节角度值、角速度值，利用式(1)得到步行相角，从而通过建立映射模型得到步行相角与参数化助力曲线的函数关系，如式(2)所示；
其中，τi为相角值阶段的期望助力矩值，ωmax，ωm，ω分别为人体上台阶过程中髋关节屈伸角速度设定最大值、设定平均值以及实际采集值，τmax为预设最大人体上台阶驱动力矩；
然后，由微处理器输出PWM驱动信号控制穿戴式机械外骨骼的髋关节主动输出相角占比及助力矩参数τi对应的助力矩；
以及，电源单元400，为穿戴式机械外骨骼和微处理器各自提供工作电源；
其中，穿戴式机械外骨骼与微处理器电连接，惯性测量单元与微处理器电连接，电源部分独立与穿戴式机械外骨骼和微处理器电连接。
如图2和图3所示，本实施例中所述一种穿戴式机械外骨骼的具体结构为：
所述穿戴式机械外骨骼包括一个左大腿绑带1、一个右大腿绑带2、一个左大腿杆3、一个右大腿杆4、一个左伺服减速电机5、一个右伺服减速电机6、一个左侧关节连接板7、一个右侧关节连接板8、一个左侧后背板9、一个右侧后背板10、一个胯部绑紧机构11以及一个腰部绑紧机构12；
在穿戴时，其中左大腿杆3位于人体左大腿的外旁侧，并沿着左大腿径直的延伸；右大腿杆4位于人体右大腿的外旁侧，并沿着右大腿径直的延伸；左伺服减速电机5位于人体左髋关节的外旁侧，且其动力输出端径直朝向左髋关节；右伺服减速电机6位于人体右髋关节的外旁侧，且其动力输出端径直朝向右髋关节；左侧后背板9和右侧后背板10均位于人体腰部的后侧；
其中，左大腿杆3的下端通过螺栓紧固件连接左大腿绑带1，其上端通过螺栓紧固件连接至左伺服减速电机5的动力输出端上，左侧关节连接板7的一端通过螺栓紧固件固定至左伺服减速电机5的端板上，其另一侧则通过螺栓紧固件直接固定至左侧后背板9上；
右大腿杆4的下端通过螺栓紧固件连接右大腿绑带2，其上端通过螺栓紧固件连接至右伺服减速电机6的动力输出端上，右侧关节连接板8的一端通过螺栓紧固件固定至右伺服减速电机6的端板上，其另一侧则通过螺栓紧固件直接固定至右侧后背板10上；
其中，胯部绑紧机构11与腰部绑紧机构12一同通过螺栓紧固件固定至左侧后背板9与右侧后背板10上。
当然，为了提升整套穿戴式机械外骨骼的结构稳定性，我们还可以对上述结构的穿戴式机械外骨骼作进一步的结构改进，例如作为本发明的第二种实施方式，如图4所示，在上述左侧后背板9与右侧后背板10之间可以再增设一个加强板13，且分别与左侧后背板9以及右侧后背板10通过螺栓紧固件固定。
其中，本实施例中所述惯性测量单元IMU采用姿态传感器，在左大腿杆3与右大腿杆4的下端各自通过工业胶固定一个姿态传感器。
其中，在登山过程中，由机器人背处的电源部分为驱动髋关节提供电能，为减轻整机质量减少对人体的额外负载，本实施例中电源部分采用电压24V，小电量(不超过1000mAh)但可快速拆装形式，续航一般在1小时左右的锂电池包，24V的锂电池包在实际工作过程中需要一个降压电路进行降压后输出5V电源给微处理器供电。具体的降压电路为本领域及相关领域技术人员的公知常识，故申请人在本专利中就不再作具体介绍。本实施例中微处理器采用STM32F103型号。上述锂电池包位于人体的前侧，且通过工业胶直接固定至胯部绑紧机构11与腰部绑紧机构12上，微处理器通过工业胶直接固定至左侧后背板9与右侧后背板10上。
本发明通过机器人辅助人体登山过程中提供部分人体髋关节驱动力矩，从而实现省力的目的。本发明穿戴式助力机器人通过其腰部绑带和大腿绑带与人体适配连接，穿戴快速、便捷，同时不会对人体的上肢活动造成任何的约束及影响。
同时，本实施例中还设计一种穿戴式登山助力机器人的助力控制方法，其包括以下的具体步骤：
步骤一，在每个步态周期中惯性测量单元测量人体双腿的关节角度值、角速度值，并实时反馈至微处理器的步骤；
步骤二，在每个步态周期中微处理器根据惯性测量单元测量关节角度值、角速度值，利用式(1)得到步行相角，从而通过建立映射模型得到步行相角与参数化助力曲线的函数关系，如式(2)所示；
其中，τi为相角值阶段的期望助力矩值，ωmax，ωm，ω分别为人体上台阶过程中髋关节屈伸角速度设定最大值、设定平均值以及实际采集值，τmax为预设最大人体上台阶驱动力矩；
步骤三，在每个步态周期中由微处理器输出PWM驱动信号控制穿戴式机械外骨骼的髋关节主动输出相角占比及助力矩参数τi对应的助力矩的步骤。
上述中提及的函数关系式(1)、(2)可参考已有文献，具体为：
[1]Sugar,T.G.；Bates,A.；Holgate,M.；Kerestes,J.；Mignolet,M.；New,P.；Ramachandran,R.K.；Redkar,S.；Wheeler,C.,Limit Cycles to Enhance HumanPerformance Based on Phase Oscillators.Journal of Mechanisms&Robotics 2015,7(1),011001.
[2]杨巍,杨灿军,马张翼等.基于振荡器的助行外骨骼跟随助力控制研究[J].机电工程,2019,10(10):1007-1012.
本发明所提供一种穿戴式登山助力机器人及其助力控制方法如前述实例中所示。不同体重登山旅客(或背负不同质量负载)，在不同台阶高度登山过程中，对于登山助力机器人的辅助力需求存在差别，因此需要设计助力参数自适应调整算法，且确保助力值和方向在每个时刻是准确的。如图5所示的针对助力值和助力方向准确调控的算法示意图。
本发明涉及的助力曲线在线调节方案主要是借助人体在登山过程中步行的关节角速度检测值来调整助力机器人主动驱动关节助力矩大小，当人体登山行走速度明显下降时，代表人体自身肌力略有疲惫，需要助力机器人提供更多辅助，当人体登山行走速度较快时，代表人体自身肌力尚且较强，助力机器人只需提供少量助力。该助力曲线参数化调整流程如图6所示。同时，通过将基于时间的关节角度角速度变换到相角空间(角度-时间，角速度-时间曲线→相角-时间曲线，相角无论步行速度和步幅如何变都是在-π～π切换，每个-π～π代表一个完整周期即1个步态周期，针对一个完整周期进行助力控制)，可以对连续不规律的关节角度数据进行整周期分割，以实现不同步幅不同步速条件下助力时机的准确把控(在相应的相角值即-π～π内提供准确的助力矩值)。
另外，由于上述实例中登山助力机器人选择电机带减速器(即减速电机)作为主动驱动关节。如图7所示为登山过程中助力机器人输出力矩示意图。从(a)至(b)过程中，人体迈出左腿上台阶，该过程中，助力机器人左侧髋关节输出屈曲方向助力矩τOutput_L，帮助人体左腿往上抬，右侧髋关节输出伸展方向助力矩τOutput_R，帮助人体右腿向后蹬地，最终实现人体重心向前移动，起到助力作用。类似地，在(b)至(c)过程中，人体左侧髋关节开始向后伸展，助力机器人左侧髋关节输出向后伸展力矩τOutput_L，辅助人体左腿蹬地；人体右侧髋关节开始向前屈曲，助力机器人右侧髋关节输出向前屈曲力矩τOutput_R，辅助人体右腿抬腿向前迈台阶。在下山或者连续下台阶时，机器人关节通过在人体连续下台阶阶段介入阻力，使得由人体反驱带动电机转动实现对人体关节的缓冲保护。
同时，作为本发明技术的延展，由人体反驱带动电机转动还可实现发电目的，就通过增加一套能量转化系统及装置(说明书附图中未图示)还能够将能量回收存储。如图8所示，在(a)至(b)阶段，人体先迈出右腿下台阶，右侧髋关节屈曲，带动助力机器人右侧髋关节屈曲，提供能量回收对应力矩τRecycle_R，此时左侧髋关节有一定程度的伸展，带动助力机器人左侧髋关节伸展，提供能量回收对应力矩τRecycle_L；在(b)至(c)阶段，人体左腿向前屈曲向下迈台阶，带动助力机器人左侧髋关节屈曲，提供能量回收对应力矩τRecycle_L，而人体右髋关节向后伸展，带动助力机器人右髋关节伸展，提供能量回收对应力矩τRecycle_R。
最后，本发明所提供一种穿戴式登山助力机器人及其助力控制方法，其采用的穿戴式机械外骨骼的主动驱动关节还可以选用电机带滚珠丝杠连杆驱动或者气压驱动或者液压驱动，以电机带滚珠丝杠连杆驱动或者气压驱动或者液压驱动的形式来实现助力机器人大腿杆绕着髋关节实现屈伸运动。例如，作为本发明的第三种实施方式，如图9所示，本实施例中穿戴式机械外骨骼的主动驱动关节采用液压驱动结构。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均应该落在本发明的保护范围之内。
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