一種用于外骨骼隨動控制的姿態(tài)測量系統(tǒng)及其使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于外骨骼隨動控制的姿態(tài)測量系統(tǒng)及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]外骨骼機(jī)器人是仿生人類骨骼設(shè)計(jì)，幫助下肢殘疾的傷員站立，并能像正常人一樣行走的機(jī)器人。正常人穿上外骨骼機(jī)器人能夠成倍的提升人體的負(fù)重能力，外骨骼機(jī)器人與人的結(jié)合，是人類自身能力的擴(kuò)展。穿上外骨骼在行走的過程中，要實(shí)時(shí)的識別外骨骼行走的姿態(tài)，判斷自身的位置情況，根據(jù)不同的場景選擇不同的步態(tài)。識別姿態(tài)的方法有視覺識別方法，但視覺識別姿態(tài)的計(jì)算量非常大，對系統(tǒng)的要求高。本發(fā)明旨在用姿態(tài)儀識別外骨骼姿態(tài)。
[0003]在本領(lǐng)域中，已經(jīng)公開的技術(shù)專利公開號為CN 104463108 A的名為“一種單目實(shí)時(shí)目標(biāo)識別及位姿測量方法”的專利，該系統(tǒng)通過在智能機(jī)器上安裝一個(gè)攝像頭，通過攝像機(jī)拍攝現(xiàn)場的場景，然后對拍攝到的場景進(jìn)行預(yù)處理，獲得場景的特征，得到圖像的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后將得到的場景的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)庫中的目標(biāo)圖像的特征進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算得到矩陣，進(jìn)而完成對目標(biāo)的識別，完成姿態(tài)測量，確定位置。
[0004]該專利改進(jìn)了相當(dāng)于其現(xiàn)有技術(shù)的算法，提升了速度，但是還有一些不足:(1)需要場景的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，需要建立龐大的數(shù)據(jù)庫，需要做大量的工作；(2)需要對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，通過拍攝到的場景與數(shù)據(jù)庫中的場景進(jìn)行對比才能確定姿態(tài)，計(jì)算量很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于外骨骼隨動控制的姿態(tài)測量系統(tǒng)及其使用方法，不僅對外骨骼進(jìn)行姿態(tài)控制，還對外骨骼的姿態(tài)進(jìn)行測量反饋之后進(jìn)行后續(xù)補(bǔ)償。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種用于外骨骼隨動控制的姿態(tài)測量系統(tǒng)，它包括右小腿姿態(tài)儀、右大腿姿態(tài)儀、左小腿姿態(tài)儀、左大腿姿態(tài)儀、上身姿態(tài)儀、左髖編碼器、右髖編碼器、左膝編碼器、右膝編碼器、左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板、數(shù)據(jù)接收裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和動力子系統(tǒng)；所述的右小腿姿態(tài)儀、右大腿姿態(tài)儀、左小腿姿態(tài)儀、左大腿姿態(tài)儀、上身姿態(tài)儀分別將人體右小腿、右大腿、左小腿、左大腿和上身的姿態(tài)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接收裝置發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置，數(shù)據(jù)接收裝置對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理之后發(fā)送控制命令分別至左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板，通過左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板控制動力子系統(tǒng)輸出的動力大小和速度，所述的動力用于控制左髖關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)、左膝關(guān)節(jié)和右膝關(guān)節(jié)的外骨骼行走；所述的左髖編碼器、右髖編碼器、左膝編碼器、右膝編碼器分別采集左髖關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)、左膝關(guān)節(jié)、右膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度信息，并分別通過左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置；數(shù)據(jù)處理裝置判斷由多個(gè)編碼器反饋的數(shù)據(jù)是否與控制命令發(fā)出的控制外骨骼行走的數(shù)據(jù)是否相符合，若不符合進(jìn)行后續(xù)反饋控制。
[0007]所述的動力子系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)，所述的液壓系統(tǒng)包括四個(gè)液壓栗、四個(gè)液壓缸、四個(gè)伺服放大器，所述的液壓栗上設(shè)置有伺服閥，所述的四個(gè)液壓缸分別設(shè)置于左髖關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)、左膝關(guān)節(jié)、右膝關(guān)節(jié)處；所述的四個(gè)伺服放大器分別接收經(jīng)過左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板放大之后的控制信號，通過控制伺服閥控制液壓栗液體的流量和速度，液壓栗的動力輸出端與液壓缸連接。
[0008]所述的左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板結(jié)構(gòu)相同，均包括用于采集對應(yīng)編碼器數(shù)據(jù)的信息采集模塊、用于接收數(shù)據(jù)處理裝置控制信號和向數(shù)據(jù)處理裝置發(fā)送編碼器數(shù)據(jù)的信息交互模塊、用于放大控制信號的放大模塊和用于向?qū)?yīng)動力子系統(tǒng)輸出放大后的控制信號的信號發(fā)送模塊。
[0009]所述的數(shù)據(jù)接收裝置為接收基站，所述的數(shù)據(jù)處理裝置為PC上位機(jī)，所述的PC上位機(jī)與接收基站之間通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，所述的PC上位機(jī)與節(jié)點(diǎn)板之間也通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
[0010]所述的右小腿姿態(tài)儀、右大腿姿態(tài)儀、左小腿姿態(tài)儀、左大腿姿態(tài)儀、上身姿態(tài)儀結(jié)構(gòu)相同，均包括ARM控制處理芯片、陀螺儀、加速度計(jì)、無線傳輸模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；陀螺儀的輸出端與ARM控制處理芯片連接，加速度計(jì)的輸出端也與ARM控制處理芯片連接，ARM控制處理芯片的輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路連接，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出端與無線傳輸模塊連接，無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)接收裝置。
[0011 ] 所述的右小腿姿態(tài)儀、右大腿姿態(tài)儀、左小腿姿態(tài)儀、左大腿姿態(tài)儀、上身姿態(tài)儀均還包括串口、CAN總線接口和USB接口，所述的串口用于向姿態(tài)儀下載程序或者使用外部電腦對姿態(tài)儀進(jìn)行在線調(diào)試；所述的CAN總線用于掛載作為擴(kuò)充的其他設(shè)備；所述的USB接口作為下載數(shù)據(jù)的輔助備用接口。
[0012]—種用于外骨骼隨動控制的姿態(tài)測量系統(tǒng)的使用方法，包括以下步驟:
51:右小腿姿態(tài)儀、右大腿姿態(tài)儀、左小腿姿態(tài)儀、左大腿姿態(tài)儀、上身姿態(tài)儀分別采集使用者的右小腿、右大腿、左小腿、左大腿和上身，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)接收裝置；
52:數(shù)據(jù)接收裝置將接收到的信息傳送給數(shù)據(jù)處理裝置；
S3:數(shù)據(jù)處理裝置通過對數(shù)據(jù)的處理，將信息分別傳送給左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板；
S4:左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板控制動力子系統(tǒng)向外骨骼輸出的動力大小和速度；
S5:設(shè)置于外骨骼的左髖關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)、左膝關(guān)節(jié)、右膝關(guān)節(jié)的編碼器分別采集外骨骼在行走過程中關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度，并將數(shù)據(jù)通過左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置進(jìn)行分析；
S6:數(shù)據(jù)處理裝置判斷由多個(gè)編碼器反饋的數(shù)據(jù)是否與控制命令發(fā)出的控制外骨骼行走的數(shù)據(jù)是否相符合，若不符合進(jìn)行后續(xù)反饋控制。
[0013]步驟S6中所述的后續(xù)反饋控制包括:
(1)當(dāng)關(guān)節(jié)的實(shí)際轉(zhuǎn)動角度大于控制命令發(fā)出的數(shù)據(jù)，則按比例降低發(fā)出的控制命令的數(shù)據(jù)；
(2)當(dāng)關(guān)節(jié)的實(shí)際轉(zhuǎn)動角度小于控制命令發(fā)出的數(shù)據(jù)，則按比例增加發(fā)出的控制命令的數(shù)據(jù)；
(3)當(dāng)關(guān)節(jié)的實(shí)際轉(zhuǎn)動角度與控制命令發(fā)出的數(shù)據(jù)的差值大于預(yù)設(shè)的第一閾值，則向外部發(fā)出系統(tǒng)故障的警告信息；
(4)當(dāng)關(guān)節(jié)的實(shí)際轉(zhuǎn)動角度與控制命令發(fā)出的數(shù)據(jù)的差值小于預(yù)設(shè)的閾值，但持續(xù)時(shí)間大于預(yù)設(shè)的第二閾值，則向外部發(fā)出系統(tǒng)故障的警告信息。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明不僅對外骨骼進(jìn)行姿態(tài)控制，還對外骨骼的姿態(tài)進(jìn)行測量反饋之后，判斷外骨骼的運(yùn)動是否與人體的運(yùn)動相符合，進(jìn)行后續(xù)補(bǔ)償，使外骨骼能夠更好地與人隨動；并且，還利用液壓作為系統(tǒng)動力代替電機(jī)輸出扭力小的問題，能提供更大動力；另外，利用姿態(tài)儀作為隨動控制信號源精度高，能實(shí)時(shí)監(jiān)測行走姿態(tài)；最后，利用2.4G無線傳輸模塊傳輸信息，避免了復(fù)雜的線路連接，使系統(tǒng)簡潔美觀，并且能省去其他無線傳輸?shù)膹?fù)雜協(xié)議，使系統(tǒng)簡化。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)方框圖；
圖2為本發(fā)明方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
如圖1所示，一種用于外骨骼隨動控制的姿態(tài)測量系統(tǒng)，它包括右小腿姿態(tài)儀、右大腿姿態(tài)儀、左小腿姿態(tài)儀、左大腿姿態(tài)儀、上身姿態(tài)儀、左髖編碼器、右髖編碼器、左膝編碼器、右膝編碼器、左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板、數(shù)據(jù)接收裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和動力子系統(tǒng)；所述的右小腿姿態(tài)儀、右大腿姿態(tài)儀、左小腿姿態(tài)儀、左大腿姿態(tài)儀、上身姿態(tài)儀分別將人體右小腿、右大腿、左小腿、左大腿和上身的姿態(tài)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接收裝置發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置，數(shù)據(jù)接收裝置對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理之后發(fā)送控制命令分別至左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板，通過左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板控制動力子系統(tǒng)輸出的動力大小和速度，所述的動力用于控制左髖關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)、左膝關(guān)節(jié)和右膝關(guān)節(jié)的外骨骼行走；所述的左髖編碼器、右髖編碼器、左膝編碼器、右膝編碼器分別采集左髖關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)、左膝關(guān)節(jié)、右膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角度信息，并分別通過左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板發(fā)送至數(shù)據(jù)處理裝置；數(shù)據(jù)處理裝置判斷由多個(gè)編碼器反饋的數(shù)據(jù)是否與控制命令發(fā)出的控制外骨骼行走的數(shù)據(jù)是否相符合，若不符合進(jìn)行后續(xù)反饋控制。
[0017]右小腿姿態(tài)儀、右大腿姿態(tài)儀、左小腿姿態(tài)儀、左大腿姿態(tài)儀、上身姿態(tài)儀通過綁縛的方式分別設(shè)置與右小腿、右大腿、左小腿、左大腿、上身(前胸或者后背)。
[0018]PC上位機(jī)、基站、節(jié)點(diǎn)板、伺服放大器等器件集成安裝在背包里面。
[0019]左髖編碼器、右髖編碼器、左膝編碼器、右膝編碼器分別設(shè)置與外骨骼的左髖關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)、左膝關(guān)節(jié)、右膝關(guān)節(jié)的側(cè)面。
[0020]所述的動力子系統(tǒng)為液壓系統(tǒng)，所述的液壓系統(tǒng)包括四個(gè)液壓栗、四個(gè)液壓缸、四個(gè)伺服放大器，所述的液壓栗上設(shè)置有伺服閥，所述的四個(gè)液壓缸分別設(shè)置于左髖關(guān)節(jié)、右髖關(guān)節(jié)、左膝關(guān)節(jié)、右膝關(guān)節(jié)處；所述的四個(gè)伺服放大器分別接收經(jīng)過左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)板、右膝節(jié)點(diǎn)板放大之后的控制信號，通過控制伺服閥控制液壓栗液體的流量和速度，液壓栗的動力輸出端與液壓缸連接。
[0021]液壓系統(tǒng)也可以與PC上位機(jī)進(jìn)行連接，方便PC上位機(jī)對液壓系統(tǒng)
所述的左髖節(jié)點(diǎn)板、右髖節(jié)點(diǎn)板、左膝節(jié)點(diǎn)