一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统的制作方法

xiaoxiao2021-01-12  18

一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种随动系统在机械外骨骼上的应用,属于模拟随动系统的范畴,装配在机械外骨骼关节处的位移传感器与紧贴人体的位移传感器存在位移差时,差信号被模拟比较器输出给驱动系统,驱动系统带动外骨骼关节完成转动,在该模拟随动系统的控制下机械外骨骼完成与人体相似的动作。
【背景技术】
[0002]机械外骨骼是一种可穿戴式的人体下肢助力系统,它的作用:通过其自身的动力系统来帮助人体完成走动甚至跑跳的动作而人体在这个过程中只需耗费极小的能量代价。机械外骨骼随动系统是利用信号采集装置(压力、位移等传感器)采集的人体动作信位移偏差信号(如走、跑、跳、蹲立等关节弯曲造成的位移信号)并利用比较控制器对采集数据处理,转换成外骨骼机器人液压驱动器的控制信号,同时采集外骨骼各机械关节、肢体的动作信号(角位移、角速度、加速度等)为反馈信号,形成闭环控制,从而使外骨骼机器人能快速精准地响应人体的动作,最大程度的实现人机动作的完全一致。按照外骨骼系统感知系统采集信号的不同类型进行分类,外骨骼机器人的跟随系统大致可分为预编程控制跟随系统、基于人体脑电信号(EEG)的外骨骼跟随系统、基于人体肌电信号(EMG)的外骨骼跟随系统和基于运动力学信号的外骨骼跟随系统4种。传统随动系统存在的缺陷:其中预编程控制方式会限制外骨骼动作模式的扩展性;人体只能按照固定的编好的程序动作;脑电信号控制方式易受到外界环境的干扰,可能会影响人脑对其他动作的控制;肌电信号控制方式中肌电传感器安装要求高,穿戴不方便而且容易脱落。而本发明专利是基于运动力学信号的随动系统,该随动系统的优势在于:控制信号采集简易且控制准确,并且由于本发明的动作驱动器采用液压驱动器,可不再担心防水问题。

【发明内容】

[0003]根据现有技术的不足,提供一种结构简单、轻便、控制准确的机械外骨骼动作状态的随动系统。
[0004]本发明按以下技术方案实现:
一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统,包括外骨骼踝关节控制系统,外骨骼膝关节控制系统和外骨骼髋关节系统,三个系统进行独立的控制,所述外骨骼踝关节控制系统,外骨骼膝关节控制系统和外骨骼髋关节系统均包括信号采集与反馈部分,信号处理部分和液压动力部分;所述信号采集与反馈部分包括各关节信号采集与反馈传感器和信号转换器,所述信号转换器包括AD模数转换器和DA数模转换器;所述信号处理部分包括模拟比较器,在所述模拟比较器环节还加入PID控制环节;所述液压动力部分包括双极电液伺服阀和各关节液压驱动器。
[0005]所述外骨骼踝关节控制系统包括信号采集与反馈传感器I,所述信号采集与反馈传感器I与AD模数转换器相连接,所述AD模数转换器与模拟比较器相连接,所述模拟比较器与DA数模转换器相连接,所述DA数模转换器与信号放大器相连接,所述信号放大器与双极电液伺服阀相连接,所述双极电液伺服阀通过调节其阀门的开度和方向来调节踝关节液压驱动器,所述踝关节液压驱动器驱使机械外骨骼踝关节动作;所述信号采集与反馈传感器I包括踝关节压力传感器,所述踝关节压力传感器平行固定于机械外骨骼踝关节处;所述踝关节压力传感器内部有受压面相向布置的踝关节霍尼韦尔前压力传感器和踝关节霍尼韦尔后压力传感器,所述踝关节霍尼韦尔前压力传感器和踝关节霍尼韦尔后压力传感器之间放置有一个两端带有弹簧的柱销I,所述柱销I的中间部位从踝关节压力传感器内穿出后与踝关节绑腿带固定。
[0006]所述外骨骼膝关节控制系统包括信号采集与反馈传感器Π,所述信号采集与反馈传感器Π与AD模数转换器相连接,所述AD模数转换器与模拟比较器相连接,所述模拟比较器与DA数模转换器相连接,所述DA数模转换器与信号放大器相连接,所述信号放大器与双极电液伺服阀相连接,所述双极电液伺服阀通过调节其阀门的开度和方向来调节膝关节液压驱动器,所述膝关节液压驱动器驱使机械外骨骼膝关节动作;所述信号采集与反馈传感器Π包括膝关节主动位移传感器和膝关节随动位移传感器,所述膝关节主动位移传感器的中部与机械外骨骼膝关节柔性连接;所述膝关节随动位移传感器的两端与机械外骨骼膝关节的两端刚性连接;所述膝关节主动位移传感器的中部通过柔性连接带与机械外骨骼膝关节连接。
[0007]所述外骨骼髋关节控制系统包括信号采集与反馈传感器m,所述信号采集与反馈传感器m与AD模数转换器相连接,所述AD模数转换器与模拟比较器相连接,所述模拟比较器与DA数模转换器相连接,所述DA数模转换器与信号放大器相连接,所述信号放大器与双极电液伺服阀相连接,所述双极电液伺服阀通过调节其阀门的开度和方向来调节髋关节前液压驱动器和髋关节后液压驱动器,所述髋关节前液压驱动器和髋关节后液压驱动器共同驱使机械外骨骼髋关节动作;所述信号采集与反馈传感器m包括髋关节压力传感器,所述髋关节压力传感器与垂直方向成30度角固定于机械外骨骼髋关节处;所述髋关节压力传感器内部有受压面相向布置的髋关节霍尼韦尔前压力传感器和髋关节霍尼韦尔后压力传感器;所述髋关节霍尼韦尔前压力传感器和髋关节霍尼韦尔后压力传感器之间放置有一个两端带有弹簧的柱销Π,所述柱销Π的中间部位从髋关节压力传感器内穿出后与髋关节绑腿带固定。
[0008]本发明有益效果:
1.该系统运用人的运动力学信号分析理论,运动信号采集简单且控制准确,避免了在足底铺设大量信号传感器,仅仅在运动的关节处设置关节传感器,结构简单,便于推广;
2.该系统利用PID控制减小信号差值,来达到跟随效果,系统简单,有助于减轻设计外骨骼自身重量,结构简单,便于推广;
3.该系统摒弃传统的在关节处设置液压驱动器和伺服电机的布置方式,转而将液压驱动器布置于人体上肢,结构轻便,减短了管路,有利于节能和防水,值得推广;
4.该系统分别在踝关节、膝关节、髋关节设置传感器,三关节分别采用单独的控制环节和动力环节,对三关节同时动作时,可有效避免控制混乱,对单关节具有反应迅速,感应准确的特点。
【附图说明】
[0009]图1为机械外骨骼踝关节随动系统原理框图图;
图2为机械外骨骼膝关节随动系统原理框图图;
图3为机械外骨骼髋关节随动系统原理框图图;
图4为机械外骨骼随动系统主视图(加入了人体设计);
图5为机械外骨骼随动系统左视图;
1、踝关节霍尼韦尔前压力传感器,2、踝关节霍尼韦尔后压力传感器,3、膝关节随动位移传感器,4、膝关节主动位移传感器,5、髋关节霍尼韦尔前压力传感器,6、髋关节霍尼韦尔后压力传感器,7、踝关节压力传感器,8、踝关节绑腿带,9、柔性连接带,10、髋关节压力传感器,11、髋关节绑腿带,12、AD模数转换器,13、模拟比较器,14、DA数模转换器,15、信号放大器,16、双极电液伺服阀,17、踝关节液压驱动器,18、膝关节液压驱动器,19髋关节前液压驱动器,20、髋关节后液压驱动器,21、膝关节转动盘,22、髋关节轴套,23、复位弹簧,24、柱销1,25、柱销11。
【具体实施方式】
[0010]以下结合附图,通过具体实施例对本发明技术方案做进一步的说明。
[0011]如图1至图5所示,一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统,包括外骨骼踝关节控制系统,外骨骼膝关节控制系统和外骨骼髋关节系统,三个系统进行独立的控制,外骨骼踝关节控制系统,外骨骼膝关节控制系统和外骨骼髋关节系统均包括信号采集与反馈部分,信号处理部分和液压动力部分;信号采集与反馈部分包括各关节信号采集与反馈传感器和信号转换器,信号转换器包括AD模数转换器12和DA数模转换器14;信号处理部分包括模拟比较器13,在模拟比较器环节还加入PID控制环节;液压动力部分包括双极电液伺服阀16和各关节液压驱动器。
[0012]各关节随动系统工作过程如下:
(I)、机械外骨骼踝关节随动系统工作过程:
外骨骼踝关节控制系统包括信号采集与反馈传感器I,信号采集与反馈传感器I与AD模数转换器12相连接,AD模数转换器12与模拟比较器13相连接,模拟比较器13与DA数模转换器14相连接,DA数模转换器14与信号放大器15相连接,信号放大器15与双极电液伺服阀16相连接,双极电液伺服阀16通过调节其阀门的开度和方向来调节踝关节液压驱动器17,踝关节液压驱动器17驱使机械外骨骼踝关节动作;信号采集与反馈传感器I包括踝关节压力传感器7,踝关节压力传感器7平行固定于机械外骨骼踝关节处;踝关节压力传感器7内部有受压面相向布置的踝关节霍尼韦尔前压力传感器I和踝关节霍尼韦尔后压力传感器2;踝关节霍尼韦尔前压力传感器I和踝关节霍尼韦尔后压力传感器2之间放置有一个两端带有弹簧的柱销124,柱销124的中间部位从踝关节压力传感器7内穿出后与踝关节绑腿带8固定,踝关节绑腿带8与人体脚踝固定。
[0013]当人体有提踝动作时,人体踝关节带动踝关节绑腿带8产生位移,与踝关节绑腿带8连接的柱销124产生垂直方向的位移,造成两端弹簧的压力值改变,此时,踝关节霍尼韦尔前压力传感器I和踝关节霍尼韦尔后压力传感器2将测的压力信号,分别通过AD模数转换器12输入给模拟比较器13,模拟比较器13将两信号作差后,输出给DA数模转换器14,经DA数模转换器14转换后,差信号再经信号放大器15放大,输入给双极电液伺服阀16,由此通过调节阀门的开度和方向来调节踝关节液压驱动器17的动作,踝关节液压驱动器17的动作,经过牵引绳的传递,完成机械外骨骼踝关节的提踝动作。
[0014]当人体踝关节回复站立状态时,踝关节绑腿带8跟随人体踝关节恢复站立状态,两端弹簧的压力值不再存在偏差,踝关节霍尼韦尔前压力传感器I和踝关节霍尼韦 尔后压力传感器2将测的压力信号,分别通过AD模数转换器12输入给模拟比较器13,模拟比较器13将两等值信号作差后,输出为0,此时,双极电液伺服阀16不再对踝关节液压驱动器17发出油压信号,此时,由踝关节处的复位弹簧23将外骨骼踝关节拉回原来状态。
[0015](2)机械外骨骼膝关节随动系统工作过程:
外骨骼膝关节控制系统包括信号采集与反馈传感器Π,信号采集与反馈传感器Π与AD模数转换器12相连接,AD模数转换器12与模拟比较器13相连接,模拟比较器13与DA数模转换器14相连接,DA数模转换器14与信号放大器15相连接,信号放大器15与双极电液伺服阀16相连接,双极电液伺服阀16通过调节其阀门的开度和方向来调节膝关节液压驱动器18,膝关节液压驱动器18驱使机械外骨骼膝关节动作;信号采集与反馈传感器Π包括膝关节主动位移传感器4和膝关节随动位移传感器3,膝关节主动位移传感器4的中部通过柔性连接带9与机械外骨骼膝关节连接;膝关节随动位移传感器3的两端与机械外骨骼膝关节的两端刚性连接。
[0016]人体站立时,膝关节主动位移传感器4和膝关节随动位移传感器3测得的位移信号相等,当人体膝关节弯曲时,带动膝关节主动位移传感器4收缩,先产生位移信号,由于膝关节主动位移传感器4与机械外骨骼是柔性连接,此时,机械外骨骼膝关节仍然无动作,处于直立状态,膝关节随动位移传感器3并无位移信号变化,膝关节主动位移传感器4测的信号与膝关节随动位移传感器3的信号同时经AD模数转换器12输入给模拟比较器13,模拟比较器13将两信号做差后,输出给DA数模转换器14,经DA数模转换器14转换后,差信号再经信号放大器15放大,输入给双极电液伺服阀16,由此通过调节阀门的开度和方向来调节膝关节液压驱动器18的动作,膝关节液压驱动器18的动作,经过牵引绳的传递,牵动机械外骨骼膝关节转动盘21的动作,机械外骨骼膝关节动作,带动膝关节随动位移传感器3动作,直到膝关节随动位移传感器3测的位移信号与膝关节主动位移传感器4测得的信号相等,模拟比较器13输出差信号为0,膝关节液压驱动器18不再动作,此时,机械外骨骼膝关节的动作与人体膝关节动作状态一致,完成膝关节动作跟随,膝关节舒张动作跟随与弯曲动作跟随原理类似。
[0017](3)机械外骨骼髋关节随动系统工作过程:
外骨骼髋关节控制系统包括信号采集与反馈传感器m,信号采集与反馈传感器m与ad模数转换器12相连接,AD模数转换器12与模拟比较器13相连接,模拟比较器13与DA数模转换器14相连接,DA数模转换器14与信号放大器15相连接,信号放大器15与双极电液伺服阀16相连接,双极电液伺服阀16通过调节其阀门的开度和方向来调节髋关节前液压驱动器19和髋关节后液压驱动器20,髋关节前液压驱动器19和髋关节后液压驱动器20共同驱使机械外骨骼髋关节动作;信号采集与反馈传感器ΙΠ包括髋关节压力传感器10,髋关节压力传感器10与垂直方向成30度角固定于机械外骨骼髋关节处;髋关节压力传感器10内部有受压面相向布置的髋关节霍尼韦尔前压力传感器5和髋关节霍尼韦尔后压力传感器6;髋关节霍尼韦尔前压力传感器5和髋关节霍尼韦尔后压力传感器6之间放置有一个两端带有弹簧的柱销Π 25,柱销Π 25的中间部位从髋关节压力传感器10内穿出后与髋关节绑腿带11固定,髋关节绑腿带11与人体大腿固定。
[0018]当人体有抬腿动作时,人体大腿将以髋关节为轴向上做圆周运动,由此带动髋关节绑腿11带向上运动,造成髋关节霍尼韦尔后压力传感器6测得的压力变大,髋关节霍尼韦尔前压力传感器5测得的压力变小,两传感器将测得的信号经AD模数转换器12输入给模拟比较器13,模拟比较器13将两信号做差后,输出给DA数模转换器14,经DA数模转换器14转换后,差信号再经信号放大器15放大,输入给双极电液伺服阀16,双极电液伺服阀16启动对髋关节前液压驱动器19供油,髋关节后液压驱动器20回油,髋关节前液压驱动器19收缩,髋关节后液压驱动器20舒张,通过牵引绳,牵引髋关节轴套22逆时针转动,完成机械外骨骼髋关节转动,当机械外骨骼髋关节动作达到与人体动作一致时,髋关节压力传感器10不再有压差信号,双极电液伺服阀16不再供油,髋关节前液压驱动器19不再动作,保持原来状态。
[0019]当需要放下腿时,造成髋关节霍尼韦尔后压力传感器6测得的压力变小,髋关节霍尼韦尔前压力传感器5测得的压力变大,通过控制系统,双极电液伺服阀16启动对髋关节后液压驱动器20供油,髋关节前液压驱动器19回油髋关节后液压驱动器20收缩,髋关节前液压驱动器19舒张,通过牵引绳,牵引髋关节轴套22顺时针转动,完成机械外骨骼髋关节转动,恢复原位。
【主权项】
1.一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统,包括外骨骼踝关节控制系统,外骨骼膝关节控制系统和外骨骼髋关节系统,其特征在于: 所述外骨骼踝关节控制系统包括信号采集与反馈传感器I,所述信号采集与反馈传感器I与AD模数转换器(12)相连接,所述AD模数转换器(12)与模拟比较器(13)相连接,所述模拟比较器(13)与DA数模转换器(14)相连接,所述DA数模转换器(14)与信号放大器(15)相连接,所述信号放大器(15)与双极电液伺服阀(16)相连接,所述双极电液伺服阀(16)通过调节其阀门的开度和方向来调节踝关节液压驱动器(17),所述踝关节液压驱动器(17)驱使机械外骨骼踝关节动作; 所述外骨骼膝关节控制系统包括信号采集与反馈传感器Π,所述信号采集与反馈传感器Π与AD模数转换器(12)相连接,所述AD模数转换器(12)与模拟比较器(13)相连接,所述模拟比较器(13)与DA数模转换器(14)相连接,所述DA数模转换器(14)与信号放大器(15)相连接,所述信号放大器(15)与双极电液伺服阀(16)相连接,所述双极电液伺服阀(16)通过调节其阀门的开度和方向来调节膝关节液压驱动器(18),所述膝关节液压驱动器(18)驱使机械外骨骼膝关节动作; 所述外骨骼髋关节控制系统包括信号采集与反馈传感器m,所述信号采集与反馈传感器m与AD模数转换器(12)相连接,所述AD模数转换器(12)与模拟比较器(13)相连接,所述模拟比较器(13)与DA数模转换器(14)相连接,所述DA数模转换器(14)与信号放大器(15)相连接,所述信号放大器(15)与双极电液伺服阀(16)相连接,所述双极电液伺服阀(16)通过调节其阀门的开度和方向来调节髋关节前液压驱动器(19)和髋关节后液压驱动器(20),所述髋关节前液压驱动器(19)和髋关节后液压驱动器(20)共同驱使机械外骨骼髋关节动作。2.根据权利要求1所述一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统,其特征在于:所述信号采集与反馈传感器I包括踝关节压力传感器(7),所述踝关节压力传感器(7)平行固定于机械外骨骼踝关节处;所述踝关节压力传感器(7)内部有受压面相向布置的踝关节霍尼韦尔前压力传感器(I)和踝关节霍尼韦尔后压力传感器(2)。3.根据权利要求2所述一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统,其特征在于:所述踝关节霍尼韦尔前压力传感器(I)和踝关节霍尼韦尔后压力传感器(2)之间放置有一个两端带有弹簧的柱销1(24),所述柱销1(24)的中间部位从踝关节压力传感器(7)内穿出后与踝关节绑腿带(8)固定。4.根据权利要求1所述一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统,其特征在于:所述信号采集与反馈传感器Π包括膝关节主动位移传感器(4)和膝关节随动位移传感器(3),所述膝关节主动位移传感器(4)的中部与机械外骨骼膝关节柔性连接;所述膝关节随动位移传感器(3)的两端与机械外骨骼膝关节的两端刚性连接。5.根据权利要求4所述一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统,其特征在于: 所述膝关节主动位移传感器(4)的中部通过柔性连接带(9)与机械外骨骼膝关节连接。6.根据权利要求1所述一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统,其特征在于:所述信号采集与反馈传感器m包括髋关节压力传感器(10),所述髋关节压力传感器(10)与垂直方向成30度角固定于机械外骨骼髋关节处;所述髋关节压力传感器(10)内部有受压面相向布置的髋关节霍尼韦尔前压力传感器(5)和髋关节霍尼韦尔后压力传感器(6)。7.根据权利要求6所述一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统,其特征在于:所述髋关节霍尼韦尔前压力传感器(5)和髋关节霍尼韦尔后压力传感器(6)之间放置有一个两端带有弹簧的柱销Π (25),所述柱销Π (25)的中间部位从髋关节压力传感器(10)内穿出后与髋关节绑腿带(11)固定。8.根据权利要求1至7任一项权利要求所述一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统,其特征在于:在所述模拟比较器(13)环节中加入PID控制环节。
【专利摘要】一种基于机械外骨骼动作状态的随动系统,包括外骨骼踝关节控制系统,外骨骼膝关节控制系统和外骨骼髋关节系统,三个系统进行独立的控制,三个系统均包括信号采集与反馈部分,信号处理部分和液压动力部分;信号采集与反馈部分包括各关节信号采集与反馈传感器和信号转换器,信号转换器包括AD模数转换器和DA数模转换器;信号处理部分包括模拟比较器,在模拟比较器环节还加入PID控制环节;液压动力部分包括双极电液伺服阀和各关节液压驱动器。该系统分别在踝关节、膝关节、髋关节设置传感器,三关节分别采用单独的控制环节和动力环节,对三关节同时动作时,可有效避免控制混乱,对单关节具有反应迅速,感应准确的特点。
【IPC分类】A61H3/00
【公开号】CN105496734
【申请号】CN201610026014
【发明人】陈宁, 何磊, 谭亚敏, 王琨, 徐东旭, 刘爽
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2016年1月15日

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