本發明涉及工控技術領域，具體而言，涉及一種下肢機器人及利用該機器人進行主動運動的控制方法。

背景技術：

目前，國內很多研究機構已相繼研究了各種類型的康復機器人，康復機器人可以模擬人類運動，可以幫助使用者解決生活困難，提高生活質量。但大多數機器人仍然只能進行簡單的被動動作。

有鑒于此，特提出本發明。

技術實現要素：

本發明的目的在于提出一種下肢機器人，以實現促使使用者主動進行運動，并提高使用者的運動效果。此外，為此，還提供一種利用該機器人進行主動運動的控制方法。

為了實現上述目的，一方面，提供了以下技術方案：

一種下肢機器人，其用于與使用者配合使用，且包括：

機械腿；

傳感系統，用于采集使用者和機械腿各關節之間的力矩信號和關節絕對角度信號，并將力矩信號和關節絕對角度信號發送至控制系統；

控制系統，用于通過力矩信號和關節絕對角度信號估計出使用者下肢生理學步態軌跡信號，并根據生理學步態軌跡信號驅動機械腿。

優選地，控制系統具體包括：

上位機，用于根據經過模數轉換后的關節角度信號和人機交互力矩信號，生成與生理學步態軌跡相關的第一運動控制指令和第二運動控制指令；

左腿驅動控制器，與上位機通信連接，用于接收第一編碼器產生的下肢各關節的第一角度信號，還用于接收上位機發送來的第一運 動控制指令，并根據第一角度信號和第一運動控制指令來驅動左腿髖關節電機和左腿膝關節電機，以驅動左腿；

右腿驅動控制器，與上位機通信連接，用于接收第二編碼器產生的下肢各關節的第二角度信號，還用于接收上位機發送來的第二運動控制指令，并根據第二角度信號和第二運動控制指令來驅動右腿髖關節電機和右腿膝關節電機，以驅動右腿；

左腿髖關節電機，與左腿驅動控制器相連；

左腿膝關節電機，與左腿驅動控制器相連；

第一光電編碼器，設置在左腿髖關節電機和左腿膝關節電機的軸端，并與左腿驅動控制器相連，生成左腿髖關節電機的第一位置信號和左腿膝關節電機的第二位置信號，并將第一和第二位置信號分別反饋至左腿驅動控制器；

右腿髖關節電機，與右腿驅動控制器相連；

右腿膝關節電機，與右腿驅動控制器相連；

第二光電編碼器，設置在右腿髖關節電機和右腿膝關節電機的軸端，并與右腿驅動控制器相連，生成右腿髖關節電機的第三位置信號和右腿膝關節電機的第四位置信號，并將第三和第四位置信號分別反饋至右腿驅動控制器；

采集卡，與關節絕對角度傳感器和關節力矩傳感器及上位機相連，用于對關節角度信號和人機交互力矩信號進行模數轉換后輸入到上位機；

傳感系統具體包括：

關節絕對角度傳感器，與采集卡相連，用于采集關節角度信號；

關節力矩傳感器，與采集卡相連，用于采集人機交互力矩信號。

優選地，傳感器系統對力矩信號和關節絕對角度信號進行放大并進行模數轉換之后發送至控制系統。

優選地，左、右腿驅動控制器分別通過EtherCAT工業總線與上位機通信連接；采集卡通過PCI總線與上位機通信連接。

優選地，下肢機器人還包括：跑步臺控制器和跑步臺驅動電機及跑步臺；跑步臺控制器通過SCI串行總線與上位機通信連接；跑步臺驅動電機通過SCI串行總線與上位機通信連接，以驅動跑步臺。

優選地，下肢機器人還包括：

人機交互系統，與控制系統相連，用于接收使用者輸入的指令，并進行運動監控和數據管理。

為了實現上述目的，另一方面，還提供了一種利用上述機器人進行主動運動的控制方法，該方法包括：

獲取使用者與機械腿之間的力矩信號；

利用指數移動平均法對力矩信號進行估計；

結合估計得到的力矩，根據位置式阻抗控制方法，計算使用者下肢各關節的期望運動的關節角度；

根據期望運動的關節角度，通過最優化的方法計算得到生理學步態軌跡信號，并根據生理學步態軌跡信號控制機器人進行主動運動。

優選地，利用指數移動平均法對力矩信號進行估計具體包括：

根據以下公式對力矩信號進行估計：

其中，α表示遺忘因子；表示估計的力矩；i表示過去一段時間內的某一時間序列點標號；n取正整數；τ_i(t)表示時間序列中第i次采集到的力矩信號。

優選地，結合估計得到的力矩，根據位置式阻抗控制方法，計算使用者下肢各關節的期望運動的關節角度，具體包括：

根據下式確定期望運動的關節角度：

其中，Δq表示角度變化量；K、B、M分別表示阻抗系數；s表示拉普拉斯變換算子；表示所估計的力矩；q₀(t)表示當前運動的關節角度；q_d(t)表示期望運動的關節角度。

優選地，阻抗系數通過以下方式來確定：基于估計的力矩及其差分，利用模糊算法，采用五級三角形隸屬度函數，來確定阻抗系數。

優選地，基于估計的力矩及其差分，利用模糊算法，采用五級三角形隸屬度函數，來確定阻抗系數，具體包括：

計算估計的力矩及其差分的隸屬度函數；

對隸屬度函數進行推理，得到推理結果；

對推理結果進行綜合；

采用重心法對綜合結果進行解模糊；

根據解模糊的結果以及阻抗系數的最大值和最小值限定值，計算阻抗系數。

優選地，根據期望運動的關節角度，通過最優化的方法計算得到生理學步態軌跡信號，具體包括：

根據下式確定生理學步態軌跡信號：

q_n(t)＝a·q₀(t)+b；

其中，q_n(t)表示生理學步態軌跡；q₀(t)表示當前軌跡；a表示調整步態軌跡幅值的調整參數；b表示調整步態軌跡偏移的調整參數；J(a,b)表示評價函數；q_d(k)表示在一個步態周期內某個時間節點的期望關節角度；q_n(k,a,b)表示按照某一組a、b取值得到的最終關節角度。

優選地，調整參數采用梯度下降法，并通過最小化評價函數來予以確定。

優選地，調整參數采用梯度下降法，并通過最小化評價函數來予以確定具體包括：

根據下式對調整參數的值進行迭代，且使調整參數的值沿著評價函數梯度下降速率最快的方向迭代，并將使得評價函數取最小值時所對應的調整參數值確定為最終的調整參數：

優選地，根據生理學步態軌跡信號控制機器人進行主動運動具體包括：

將生理學步態軌跡信號發送至左、右腿驅動控制器；

左、右腿驅動控制器根據生理學步態軌跡信號，驅動左腿髖關節電機、左腿膝關節電機、右腿髖關節電機及右腿膝關節電機，使機器人關節運動到期望角度。

本發明實施例提供一種下肢機器人和利用該機器人進行主動運動的控制方法。其中，該下肢機器人用于與使用者配合使用，且包括機械腿、傳感系統和控制系統。其中，傳感系統用于采集使用者和機械腿各關節之間的力矩信號和關節絕對角度信號，并將力矩信號和關節絕對角度信號發送至控制系統。控制系統用于通過力矩信號和關節絕對角度信號估計出使用者下肢生理學步態軌跡信號，并根據生理學步態軌跡信號驅動機械腿。本發明利用傳感系統采集到力矩信號和關節絕對角度信號，由控制系統對其進行估計，得出使用者下肢生理學步態軌跡信號，并根據生理學步態軌跡信號來驅動機械腿的關節的運動，實現了促使使用者主動進行運動的優點，并提高了使用者的運動效果。

附圖說明

圖1是根據本發明實施例的下肢機器人的結構示意圖；

圖2是根據本發明實施例的另一下肢機器人的結構示意圖；

圖3是根據本發明實施例的利用下肢機器人進行主動運動的控制方法的流程示意圖；

圖4是根據本發明實施例的隸屬度函數的示意圖。

具體實施方式

下面參照附圖來描述本發明的優選實施方式。本領域技術人員應當理解的是，這些實施方式僅僅用于解釋本發明的技術原理，并非旨在限制本發明的保護范圍。

圖1示例性地示出了下肢機器人的結構示意圖。其中，該機器人10用于與使用者配合使用，且包括機械腿12、傳感系統16和控制系統14。其中，傳感系統16用于采集使用者和機械腿12各關節之間的力矩信號和關節絕對角度信號，并將力矩信號和關節絕對角度信號發送 至控制系統14；控制系統14用于通過力矩信號和關節絕對角度信號估計出使用者下肢生理學步態軌跡信號，并根據生理學步態軌跡信號驅動機械腿。

上述實施例中，每條機械腿有兩個自由度，兩個自由度分別對應人體下肢的髖、膝關節。兩條機械腿用于固定使用者的雙側下肢。

在實際應用中，上述下肢機器人還可以包括懸吊系統，使用者通過懸吊系統(也稱懸吊減重系統)可以處于直立位。

通過采用上述技術方案，利用傳感系統16采集到力矩信號和關節絕對角度信號，由控制系統14對其進行估計，得出使用者下肢生理學步態軌跡信號，并根據生理學步態軌跡信號來驅動機械腿的關節的運動，實現了促使使用者主動進行運動的優點，并提高了使用者的運動效果。

優選地，上述傳感器系統可以對力矩信號和關節絕對角度信號進行放大并進行模數轉換之后再發送至控制系統。

具體地，上述控制系統可進一步包括：上位機、左腿驅動控制器、右腿驅動控制器、左腿髖關節電機、左腿膝關節電機、第一光電編碼器、右腿髖關節電機、右腿膝關節電機、第二光電編碼器和采集卡。其中，上位機用于根據經過模數轉換后的關節角度信號和人機交互力矩信號，生成與生理學步態軌跡相關的第一運動控制指令和第二運動控制指令。左腿驅動控制器與上位機通信連接，用于接收第一編碼器產生的下肢各關節的第一角度信號，還用于接收上位機發送來的第一運動控制指令，并根據第一角度信號和第一運動控制指令來驅動左腿髖關節電機和左腿膝關節電機，以驅動左腿。右腿驅動控制器與上位機通信連接，用于接收第二編碼器產生的下肢各關節的第二角度信號，還用于接收上位機發送來的第二運動控制指令，并根據第二角度信號和第二運動控制指令來驅動右腿髖關節電機和右腿膝關節電機，以驅動右腿。左腿髖關節電機與左腿驅動控制器相連。左腿膝關節電機與左腿驅動控制器相連。第一光電編碼器設置在左腿髖關節電機和左腿膝關節電機的軸端，并與左腿驅動控制器相連，生成左腿髖關節電機的第一位置信號和左腿膝關節電機的第二位置信號，并將第一和第二位置信號分別反饋至左腿驅動控制器。右腿髖關節電機與右腿驅動控制器相連。右腿膝關節電機與右腿驅動控制器相連。第二光電編碼器設置在右腿髖關節電機和右腿膝關 節電機的軸端，并與右腿驅動控制器相連，生成右腿髖關節電機的第三位置信號和右腿膝關節電機的第四位置信號，并將第三和第四位置信號分別反饋至右腿驅動控制器。采集卡與關節絕對角度傳感器和關節力矩傳感器及上位機相連，用于對關節角度信號和人機交互力矩信號進行模數轉換后輸入到上位機。傳感系統可進一步包括：關節絕對角度傳感器和關節力矩傳感器。其中，關節絕對角度傳感器與采集卡相連，用于采集關節角度信號。關節力矩傳感器與采集卡相連，用于采集人機交互力矩信號。

在上述實施例中，左、右腿驅動控制器可以分別通過EtherCAT工業總線與上位機通信連接。采集卡可以通過PCI總線與上位機通信連接；采集卡優選為A/D采集卡。

在上述實施例的基礎上，上述下肢機器人還可以包括：跑步臺控制器和跑步臺驅動電機及跑步臺。其中，該跑步臺控制器可以通過SCI串行總線與上位機通信連接；跑步臺驅動電機可通過SCI串行總線與上位機通信連接，以驅動所述跑步臺。

上述實施例中，機械腿、懸吊系統及跑步臺構成下肢機器人的機械本體。通過跑步臺，使用者可以更好地進行訓練等運動。

在一些實施例中，上述下肢機器人還可以包括人機交互系統。該人機交互系統與控制系統相連，用于接收使用者輸入的指令，并進行運動監控和數據管理。

其中，人機交互系統、控制系統和傳感器系統構成了下肢機器人的電氣控制系統。使用者輸入的指令可以設定訓練方式以及運動參數。

圖2示例性地示出了下肢機器人的結構圖。

本領域技術人員應能理解，本發明實施例提供的下肢機器人還可以包括接口、存儲設備和急停開關電路以及使用者可以進行操控的諸如鼠標和/或鍵盤等操控設備。其中，上位機可以通過接口分別與存儲設備、急停開關電路、鍵盤鼠標連接。

本發明實施例提供了更好的人機交互接口，能更有效地激勵患者主動參與運動的意識，有利于提高運動效果。

本發明實施例還提供一種利用上述機器人進行主動運動的控制方法。如圖3所示，該方法可以包括：

S100：獲取使用者與機械腿之間的力矩信號。

在本步驟之前還可以包括：對力矩信號進行放大、去噪以及加權平均處理。

在實際應用中，通過傳感器系統采集使用者與機械腿之間的力矩。然后，通過放大器對力矩信號進行放大處理。接著，通過上位機和A/D采集卡讀取放大后的力矩信號并進行去除噪聲和對多個周期的數據加權平均的處理。

S110：利用指數移動平均法對力矩信號進行估計。

本步驟利用指數移動平均法估計使用者的長時間主動運動意圖。該指數移動平均法也即指數平滑法或指數滑動平均法。該方法將任一期的指數平滑值確定為本期實際觀察值與前一期指數平滑值的加權平均。該指數移動平均法為最新的力矩信息分配了更大的權值，使得力矩估計更準確。

作為示例，根據以下公式對力矩信號進行估計：

上式還可以表示為：

其中，α表示遺忘因子，優選地，α∈[0,1]；表示估計的力矩；i表示過去一段時間內的某一時間序列點標號；n取正整數；τ_i(t)表示時間序列中第i次采集到的力矩信號。

S120：結合估計得到的力矩，根據位置式阻抗控制方法，計算使用者下肢各關節的期望運動的關節角度。

該角度變化量為使用者下肢各關節當前實際角度與期望角度的偏差。

具體地，根據下式確定所述期望運動的關節角度：

其中，Δq表示角度變化量；K、B、M分別表示阻抗系數；s表示拉普拉斯變換算子；表示所估計的力矩；q₀(t)表示當前運動的關節角度；q_d(t)表示期望運動的關節角度。

為了提高系統的穩定性同時適應患者主動意圖的變化，阻抗控制的阻抗系數可以通過模糊控制策略進行調整。

在一些優選的實施例中，阻抗系數可以通過以下方式來確定：基于所估計的力矩及其差分，利用模糊算法，采用五級三角形隸屬度函數，來確定阻抗系數。

具體地，本步驟可以包括：

步驟A：計算所估計的力矩及其差分的隸屬度函數。

例如，可以列出模糊規則集，其中符號的含義為，LN(large negative，大負)，N(negative，負)，Z(zero，零)，P(positive，正)，LP(large positive，大正)。可以使用質心加權平均方法來實現去模糊化，以使模糊控制器輸出隸屬度函數，例如，如圖4所示。

步驟B：對上述隸屬度函數進行推理，得到推理結果。

例如：可以根據下式計算推理結果：

其中，μ_ci(z)表示對一條模糊規則的推理結果；表示力矩的隸屬度函數；表示力矩差分的隸屬度函數。

步驟C：對推理結果進行綜合。

例如，可以根據下式按照推理規則對推理結果進行綜合：

式中，μ_c'(z)為綜合推理結果；分別表示各條推理的結果。

步驟D：采用重心法對綜合結果進行解模糊。

例如，可以根據下式對綜合結果進行解模糊：

其中，z₀為模糊控制器輸出變量。

步驟E：根據解模糊的結果以及阻抗系數的最大值和最小值限定值，計算阻抗系數。

例如，可以根據下式計算阻抗系數：

式中，K、B、M為阻抗系數；K_min、B_min、M_min分別為阻抗系數的最小值限定值；K_max、B_max、M_max分別為阻抗系數的最大值限定值。

S130：根據期望運動的關節角度，通過最優化的方法計算得到生理學步態軌跡信號，并根據該生理學步態軌跡信號控制機器人進行主動運動。

具體地，本步驟可以根據下式確定生理學步態軌跡信號：

q_n(t)＝a·q₀(t)+b；

其中，q_n(t)表示生理學步態軌跡；q₀(t)表示當前軌跡；a表示調整步態軌跡幅值的調整參數；b表示調整步態軌跡偏移的調整參數；J(a,b)表示評價函數；q_d(k)表示在一個步態周期內某個時間節點的期望關節角度；q_n(k,a,b)表示按照某一組a、b取值得到的最終關節角度。

上述a、b可以選取合適的值，使得生理學步態軌跡q_n(t)最大程度地接近期望軌跡。

上述評價函數代表了最終生理學步態軌跡和期望軌跡之間的誤差，其值等于一個步態周期內最終生理學步態軌跡q_n(t)與期望軌跡二范數的平方和。

本實施例通過最小化評價函數可以得到與期望軌跡最接近的生理學步態軌跡相對應的調整參數a、b。

在一些優選地實施方式中，采用梯度下降法，通過最小化評價函數來確定調整參數a、b。

舉例來說，根據下式確定調整參數a、b：

其中，對a、b的值進行迭代，且使a、b的值沿著評價函數J(a,b)梯度下降速率最快的方向迭代，則將使得評價函數J(a,b)取最小值時所對應的a、b值確定為最終的調整參數。

在一些優選的實施例中，根據生理學步態軌跡信號控制機器人進行主動運動的步驟具體可以通過步驟S140和步驟S150來實現。其中：

S140：將生理學步態軌跡信號發送至左、右腿驅動控制器。

具體地，本步驟可以包括：對生理學步態軌跡信號進行平滑濾波，將濾波之后的信號發送至左、右腿驅動控制器。

S150：左、右腿驅動控制器根據生理學步態軌跡信號，驅動左腿髖關節電機、左腿膝關節電機、右腿髖關節電機及右腿膝關節電機，使機器人關節運動到期望角度。

在實施過程中，左、右腿驅動控制器可以通過驅動電流驅動左腿髖關節電機、左腿膝關節電機、右腿髖關節電機及右腿膝關節電機，使機器人關節運動到期望角度。

下面以上述機器人作為訓練機器人為例來詳細說明本發明的工作過程。

在訓練機器人工作時，上位機按照人機交互系統設定的訓練模式和參數，計算期望的關節角度軌跡，通過EtherCAT工業總線將數據發送給左、右腿驅動控制器(即左、右腿關節驅動控制器)。然后，左、右腿驅動控制器通過電機軸端的第一和第二光電編碼器獲得左腿髖關節電機、左腿膝關節電機、右腿髖關節電機及右腿膝關節電機的位置信號、速度和加速度信息，并將它們反饋到左腿驅動控制器和右腿驅動控制器中，實現力矩、速度、位置的三層控制環路，對左腿髖關節電機、左腿膝關節電機、右腿髖關節電機及右腿膝關節電機的運動進行控制。上位機通過機器人關節絕對角度傳感器讀取髖、膝關節角度的實時數據，與期望關節角度進行比較，調整向左腿驅動控制器和右腿驅動控制器發送的運動指令，補償髖、膝關節角度的運動誤差。同時，上位機采集關節力矩傳感器的信號對使用者主動力矩進行計算，得到使用者主動運動意圖，通過自適應控制算法對期望關節角度進行調整，將調整后的期望關節角度發送給左、右腿驅動控制器。

需要說明的是，上述實施例中的運動可以表現為一種訓練。

下面以使用者進行訓練為例，詳細說明利用上述機器人進行主動訓練的控制方法。該方法可以包括：

步驟1：使用者通過懸吊減重系統處于直立位，使用者的雙側下肢分別與機器人的兩條機械腿固定。

步驟2：通過人機交互系統設定主動訓練使能狀態，髖、膝關節的最大調整范圍和訓練步速。

步驟3：主動訓練開始：機器人與使用者同時運動，使用者根據自身運動意愿主動施加力量。

步驟4：在使用者運動時，傳感器系統采集使用者與機器人之間的人機交互力，通過放大器對信號進行放大處理，上位機通過A/D采集卡讀取信號并進行諸如去除噪聲和對多個周期的數據加權平均等處理，得到力矩信號。

步驟5：基于力矩信號，根據位置式阻抗控制策略計算出使用者各關節當前實際角度與期望角度的偏差。

步驟6：根據該偏差控制下肢機器人進行主動運動。

本發明實施例利用上述機器人對使用者進行基于人機交互力矩反饋的主動訓練，在主動訓練過程中，機器人各關節可以在使用者主動策略的控制下進行訓練。

上述實施例中雖然將各個步驟按照上述先后次序的方式進行了描述，但是本領域技術人員可以理解，為了實現本實施例的效果，不同的步驟之間不必按照這樣的次序執行，其可以同時(并行)執行或以顛倒的次序執行，這些簡單的變化都在本發明的保護范圍之內。

以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內，因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內，因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。