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助動器的控制系統.pdf

摘要
申請專利號:

CN200980161144.2

申請日:

2009.07.01

公開號:

CN102573746B

公開日:

2015.01.07

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):A61H 3/00申請日:20090701|||公開
IPC分類號: A61H3/00; A61F2/72 主分類號: A61H3/00
申請人: 瑞克仿生學有限公司
發明人: F·阿拉米斯弗; A·J·格里梅爾
地址: 新西蘭奧克蘭
優先權:
專利代理機構: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038 代理人: 葉勇
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法律狀態
申請(專利)號:

CN200980161144.2

授權公告號:

102573746B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.07|||2012.09.12|||2012.07.11

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種用于控制外骨骼的控制系統,所述外骨骼由用戶佩帶并具有一個或多個與對應于用戶身體部分的所述外骨骼的各個體構件相關聯的傳動器。所述控制系統包括用于接收指示期望的運動序列的輸入數據的用戶接口,存儲器組件,用于存儲指示實施所述運動序列所要求的一個或多個連續指令的預編程的運動數據,各個指令與用于執行所述指令的有關傳動器運動相關聯,和用于針對各個指令根據相關傳動器運動移動一個或多個傳動器的傳動器控制器。所述控制系統還包括地面子系統,用于在檢測到地面斜度變化時調節傳動器運動,以及平衡控制子系統,用于在一個或多個傳動器的相對運動期間周期性地調節外骨骼的平衡。

權利要求書

1.一種用于控制外骨骼的方法,所述外骨骼由用戶佩帶并具有
一個或多個與所述外骨骼的均對應于用戶身體部分的各個體構件相關
聯的傳動器,所述方法包括下列步驟:
接收指示期望的運動序列的輸入數據;
從存儲器獲得指示一個或多個連續的指令的預編程的運動數據,
所述指令至少包括實施所述運動序列所需要的落腳指令,各個指令與
用于執行所述指令的相關傳動器運動相關聯;
針對各個指令根據所述相關的傳動器運動移動一個或多個傳動
器;以及
當接收指示地面斜度變化的數據時,調節所述落腳指令,所述調
節的步驟包括:
移動所述外骨骼的一個或多個與落腳構件相關聯的傳動器來向
著最大允許傾角旋轉足部構件;以及
在接收指示所述足部構件與斜面對準的輸入時,終止與所述足部
構件相關聯的一個或多個傳動器的運動。
2.根據權利要求1的方法,其中所述足部構件包括至少一個位
于所述足部構件的下面的每個角區域的觸覺傳感器,并且其中所述角
區域形成兩對橫向基本上對準的角區域和兩對縱向基本上對準的角區
域。
3.根據權利要求2的方法,其中每個觸覺傳感器觸感傳感器。
4.根據權利要求2的方法,其中每個觸覺傳感器是壓力傳感器。
5.根據權利要求2-4中任意一個的方法,其中當一旦落腳構件
的下面與地面接觸而只從一些角區域的傳感器接收到觸發信號的時
候,接收指示地面斜度變化的數據。
6.根據權利要求5的方法,其中所述地面斜度由縱向分量和橫
向分量組成,并且指示地面斜度變化的數據指示地面斜度的縱向分量
的變化或地面斜度的橫向分量的變化或二者皆有之。
7.根據權利要求6的方法,其中最大允許傾角或是斜面和縱向
延長線與基本水平線之間的最大允許角度,或是斜面和橫向延長線與
基本水平線之間的最大允許橫壓力角。
8.根據權利要求7的方法,其中從至少一個只與兩對橫向地對準
的角區域之一相關聯的觸覺傳感器接收到的觸發信號指示地面斜度的
縱向分量發生變化,而從至少一個只與兩對縱向地對準的角區域之一
相關聯的觸覺傳感器接收到的觸發信號指示地面斜度的橫向分量發生
變化。
9.根據權利要求8的方法,其中移動一個或多個與所述外骨骼
的落腳構件相關聯的傳動器來將所述足部構件向著最大允許傾角旋轉
的步驟包括圍繞橫穿過從其接收觸發信號的對準角區域對的軸旋轉所
述足部構件。
10.根據權利要求9的方法,其中終止一個或多個傳動器的運動
的步驟包括終止運動,其根據從至少一個與一對對準角區域相關聯的
傳感器接收的指示所述足部構件與地面的斜面對準的觸發信號,而所
述對準角區域對與旋轉軸線橫穿其的那對相對。
11.根據前述權利要求中的任意一個的方法,其中所述最大允許
傾角被預定并保存在存儲器中。
12.根據前述權利要求中的任意一個的方法,其中所述方法還包
括在接收指示地面斜度變化的數據時暫停一個或多個傳動器的運動的
步驟。
13.根據前述權利要求中的任意一個的方法,其中所述方法還包
括,在終止一個或多個傳動器的運動步驟之后,存儲指示地面的當前
斜度的地面狀態數據的步驟。
14.根據權利要求13的方法,其中存儲指示地面的當前斜面的
地面狀態數據的步驟包括:
將所述足部構件的角度和來自與所述足部構件相關聯的加速表
的輸入數據取平均;以及
并將平均角作為指示地面的當前斜率的數據而存儲。
15.根據權利要求13或權利要求14的方法,還包括在移動一個
或多個傳動器之前和獲得預編程的運動數據之后,根據所存儲的指示
地面的斜度的地面狀態數據更新相關的傳動器運動的步驟。
16.根據前述權利要求中的任意一個的方法,其中移動每個傳動
器包括改變傳動器的長度,并且其中改變傳動器的長度改變形成在外
骨骼的體構件之間的相關關節的角度。
17.根據權利要求16的方法,其中移動一個或多個與落腳構件
相關聯的傳動器以將足部構件向著最大允許傾角旋轉的步驟包括下列
步驟:
標識將足部構件與地面的斜度對準所需要的旋轉軸和旋轉方向;
由各個傳動器的長度獲得相關關節的角度;
使用所述足部關節的角度計算與所需要的旋轉軸和旋轉方向相
關的外骨骼的足部關節的相對位置;
確定與將所述足部構件旋轉至最大允許傾角所要求的落腳構件
相關聯的足部關節的期望位置;
使用反相運動學來確定影響足部關節的位置的各個關節的期望
位置;
從影響足部關節的位置的關節的期望位置確定期望關節角;
確定與各個期望關節角相關聯的各個傳動器的期望的長度變化;
并將與各個期望關節角相關聯的各個傳動器的長度向著傳動器
的期望長度變化改變。
18.根據權利要求17的方法,其中使用反相運動學的步驟包括
使用相交圓的方法來確定影響足部關節的位置的關節的期望位置。
19.根據前述權利要求中的任意一個的方法,其中所述足部構件
包括兩個中間區域觸覺傳感器,用于提供關于足部構件的中央前后區
域與地面的接觸狀態的信息,以提供升高的分辨率,從而將足部構件
與地面對準。
20.一種用于控制外骨骼的方法,所述外骨骼由用戶佩帶并具有
一個或多個與所述外骨骼的均對應于用戶身體部分的各個體構件相關
聯的傳動器,所述方法包括下列步驟:
接收指示期望的運動序列的輸入數據;
從存儲器獲得指示實施所述運動序列所需要的一個或多個連續
的指令的預編程的運動數據,各個指令與執行所述指令的相關傳動器
運動相關聯;
根據存儲的指示當前地面狀態的調節數據更新相關的傳動器運
動;
并針對各個指令根據所述更新的相關傳動器運動移動一個或多
個傳動器。
21.一種用于控制外骨骼的方法,所述外骨骼由用戶佩帶并且具
有一個或多個至少與所述外骨骼的對應于用戶足部的足部構件相關聯
的傳動器,以針對地面斜度的變化調節所述足部構件,所述方法包括
下列步驟:
在與足部構件相關聯的著地指示期間接收指示地面斜度變化的
數據;
移動一個或多個與足部構件相關聯的傳動器來向著最大允許傾
角旋轉足部構件;
并在接收指示所述足部構件與斜面對準的輸入時終止與所述足
部構件相關聯的一個或多個傳動器的運動。
22.一種用于控制外骨骼的方法,所述外骨骼用戶佩帶并具有一
個或多個與所述外骨骼的均對應于用戶身體部分的各個體構件相關聯
的傳動器,所述方法包括下列步驟:
接收指示期望的運動序列的輸入數據;
從存儲器獲得指示實施所述運動序列所需要的一個或多個連續
的指令的預編程的運動數據,各個指令與執行所述指令的相關傳動器
運動相關聯;
針對各個指令根據所述相關的傳動器運動移動一個或多個傳動
器;
并且周期性地,根據當前指令通過下列步驟平衡一個或多個傳動
器的運動期間的外骨骼:
基于指示足部的一個或多個區域的壓力的輸入壓力數據,確定所
述外骨骼的至少一個接地足部構件的下面的實際壓力中心位置,
獲得與一個或多個傳動器所根據其移動的當前指令相關聯的期
望的壓力中心位置,
并且將與所述接地足部構件的方向相關聯的一個或多個傳動器
移動位置,這樣將足部下面的所述實際壓力中心轉換為針對當前指令
所期望的壓力中心。
23.根據權利要求22的方法,其中所述周期性地平衡外骨骼的
步驟在當前指令期間以預定時間步長出現。
24.根據權利要求23的方法,其中所述周期性地平衡所述外骨
骼的步驟還包括:
確定當前時間步長的實際壓力中心位置和期望的壓力中心位置
之間的壓力中心誤差;
為各個與接地足部構件的方向相關聯的傳動器確定后續時間步
長所期望的傳動器位置;
基于各個傳動器的誤差,為后續時間步長調節所期望的傳動器位
置;
并在后續時間步長期間將各個傳動器朝著經過調節的傳動器位
置移動。
25.根據權利要求24的方法,其中當前時間步長所期望的壓力
中心位置在之前的時間步長中這樣被決定:
在之前的時間步長的實際壓力中心位置和所述指令所期望的壓
力中心位置之間插值;
并根據所述插值確定后續時間步長所期望的壓力中心位置。
26.根據權利要求24或權利要求25之一的方法,其中確定后續
時間步長所期望的傳動器位置的步驟包括:
在實際傳動器位置和由針對當前指令完成的傳動器運動而產生
的所期望的傳動器位置之間插值;
并根據所述插值確定后續時間步長所期望的傳動器位置。
27.根據權利要求24-26中任意一個所述的方法,其中為后續時
間步長調節所期望的傳動器位置的步驟包括:
使用所述壓力中心誤差確定傳動器位置的變化;以及
并將傳動器位置的變化與后續時間步長所期望的傳動器位置相
加以調節后續時間步長所期望的傳動器位置。
28.根據權利要求27的方法,其中,所述使用壓力中心誤差確
定傳動器位置的變化的步驟是這樣實現的:將所述誤差送入比例積分
微分PID控制器,其被安排輸出傳動器位置變化的指示。
29.根據權利要求22-28中任意一個的方法,其中移動一個或多
個傳動器包括改變一個或多個傳動器的長度。
30.根據權利要求22-29中任意一個的方法,其中每個接地足部
構件在接地足部下面的四個角上至少包括一個壓力傳感器。
31.根據權利要求30的方法,其中確定所述實際壓力中心位置
包括步驟:
將由足部下面的四個角所定義的長方形區域劃分為兩個大三角
形;
使用所述壓力傳感器輸入確定各個大三角形的重心位置;
使用所述重心位置和壓力傳感器輸入,在各個大三角形以內并大
三角形的相關聯的重心形成內部三角形;
確定所述各個內部三角形的重心位置;以及
并使用壓力傳感器輸入和內部三角形的重心確定實際壓力中心
位置。
32.一種用于將由用戶佩帶的外骨骼在所述外骨骼的一個或多個
傳動器的相對運動期間保持平衡以執行預定指令的方法,該用于平衡
的方法包括下列步驟:
基于指示足部的一個或多個區域的壓力的輸入壓力數據,計算所
述外骨骼的至少一個接地足部構件的下面的實際壓力中心,
確定實際壓力中心和所述預定指令所期望的壓力中心之間的壓
力中心誤差;
并且通過將足部下面的所述實際壓力中心轉換為所述預定指令
所期望的壓力中心來移動一個或多個傳動器從而消除壓力中心誤差。
33.根據前述任意一個權利要求的方法,其中所述外骨骼包括:
i)包括用戶安全設置的剛性骨盆支撐構件,所述安全設置用于
將用戶至少加固于所述骨盆支撐構件以可操作地支撐所述用戶;
ii)第一腿結構和第二腿結構,第一腿結構和第二腿結構中的每
一個與所述骨盆支撐構件接合并針對與用戶的對應腿相鄰的操作位置
從其伸出,第一腿結構和第二腿結構中的每一個包括:
用于與用戶的大腿接合的大腿結構構件,所述大腿結構構件在其
第一端通過髖關節與所述骨盆支撐構件旋轉軸地接合;
用于與所述用戶的小腿接合的小腿結構構件,所述小腿結構構件
在其第一端通過膝關節與所述大腿結構構件的第二端旋轉軸地接合;
用于與用戶的足部接合的足部構件,所述足部構件通過足部關節
與所述小腿構件的第二端旋轉軸地接合;
主臀部傳動器,設置用于起動所述大腿結構構件相對于所述骨盆
支撐構件圍繞所述髖關節轉動,以在使用中在前部/后部平面中旋轉所
述大腿結構構件;
膝蓋傳動器,被設置用于起動所述小腿結構構件相對于所述大腿
結構構件圍繞所述膝關節轉動;和
主足部傳動器,被設置用于起動所述足部構件相對于所述小腿結
構構件圍繞足部關節圍繞基本上平行于膝關節的轉動軸的轉動軸轉
動;以及
iii)電源,可配置用于向所述主臀部傳動器、膝蓋傳動器和主足
部傳動器中選擇的至少一個或多個供電。
34.一種用于控制外骨骼的控制系統,所述外骨骼由用戶佩帶并
具有一個或多個與所述外骨骼的均對應于用戶身體部分的各個體構件
相關聯的傳動器,所述控制系統包括:
用于接收指示期望的運動序列的輸入數據的用戶接口,
存儲器組件,用于存儲指示實施所述運動序列所要求的一個或多
個連續指令的預編程的運動數據,各個指令與用于執行所述指令的有
關傳動器運動相關聯,
用于針對各個指令根據相關傳動器運動移動一個或多個傳動器
的傳動器控制器,
用于根據地面斜度變化的檢測調節傳動器運動的地面子系統,以

用于周期性地調節外骨骼在一個或多個傳動器相對運動期間的
平衡的平衡控制子系統。
35.根據權利要求34的控制系統,其中所述控制系統從設置在
外骨骼的足部構件下面的四個角區域的四個觸覺傳感器接收輸入以檢
測地面斜度的變化。
36.根據權利要求34或權利要求35之一的控制系統,其中所述
地面子系統被設置為:
確定將所述外骨骼的足部構件向著最大允許傾角旋轉所需要的
與所述足部構件相關聯的一個或多個傳動器的運動,以及
在接收指示所述足部構件與斜面對準的輸入時終止與所述足部
構件相關聯的一個或多個傳動器的運動。
37.根據權利要求34-36的任意一個的控制系統,其中所述平衡
控制子系統從設置在外骨骼的足部構件下面的四個角區域的四個壓力
傳感器接收輸入。
38.根據權利要求37的控制系統,其中所述壓力傳感器輸入啟
動平衡控制子系統以確定足部下面的壓力中心位置,從而確定傳動器
運動所需要的調節,以針對特定指令將壓力中心位置轉換至期望的壓
力中心位置。
39.根據權利要求34-38中任意一個的控制系統,其中所述控制
系統從足部構件的兩個中間區域觸覺傳感器接收輸入,所述傳感器用
于提供關于足部構件的中央前后區域與地面的接觸狀態的信息,以提
供升高的分辨率,從而將足部構件與地面對準。
40.一種用于控制外骨骼的控制系統,所述外骨骼由用戶佩帶并
具有一個或多個與所述外骨骼的均對應于用戶身體部分的各個體構件
相關聯的傳動器,所述控制系統包括:
用于接收指示期望的運動序列的輸入數據的用戶接口;
存儲器組件,用于存儲指示實施所述運動序列所需要的一個或多
個連續的指令的預編程的運動數據,各個指令與執行所述指令的相關
傳動器運動相關聯;
用于針對各個指令根據相關傳動器運動,移動一個或多個傳動器
的傳動器的控制器;以及
用于根據地面斜度變化的檢測調節傳動器運動的地面子系統。
41.一種用于控制外骨骼的控制系統,所述外骨骼由用戶佩帶并
具有一個或多個與所述外骨骼的均對應于用戶身體部分的各個體構件
相關聯的傳動器,所述控制系統包括:
用于接收指示期望的運動序列的輸入數據的用戶接口;
存儲器組件,用于存儲指示實施所述運動序列所需要的一個或多
個連續的指令的預編程的運動數據,各個指令與執行所述指令的相關
傳動器運動相關聯;
用于針對各個指令根據相關傳動器運動移動一個或多個傳動器
的傳動器控制器;
和用于周期性地調節外骨骼在一個或多個傳動器相對運動期間
的平衡的平衡控制子系統。
42.如權利要求34-41中任意一個所述的用于控制外骨骼的控制
系統,包括:
i)包括用戶安全設置的剛性骨盆支撐構件,所述安全設置用于
將用戶至少加固于所述骨盆支撐構件以可操作地支撐所述用戶;
ii)第一腿結構和第二腿結構,第一腿結構和第二腿結構中的每
一個與所述骨盆支撐構件接合并針對與用戶的對應腿相鄰的操作位置
從其伸出,第一腿結構和第二腿結構中的每一個包括:
用于與用戶的大腿接合的大腿結構構件,所述大腿結構構件在其
第一端通過髖關節與所述骨盆支撐構件旋轉軸地接合;
用于與所述用戶的小腿接合的小腿結構構件,所述小腿結構構件
在其第一端通過膝關節與所述大腿結構構件的第二端旋轉軸地接合;
用于與用戶的足部接合的足部構件,所述足部構件通過足部關節
與所述小腿構件的第二端旋轉軸地接合;
主臀部傳動器,設置用于起動所述大腿結構構件相對于所述骨盆
支撐構件圍繞所述髖關節轉動,以在使用中在前部/后部平面中旋轉所
述大腿結構構件;
膝蓋傳動器,被設置用于起動所述小腿結構構件相對于所述大腿
結構構件圍繞所述膝關節轉動;以及
主足部傳動器,被設置用于起動所述足部構件相對于所述小腿結
構構件圍繞所述足部關節圍繞基本上平行于膝關節的轉動軸的旋轉軸
轉動;以及
iii)電源,可配置用于向所述主臀部傳動器、膝蓋傳動器和主足
部傳動器中選擇的至少一個或多個供電。

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助動器 控制系統
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