技术领域
[0001] 本实用新型涉及
传感器检测、智能控制、外骨骼机器人等领域，尤其涉及一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统。
背景技术
[0002] 目前市场上出现的助力行走外骨骼机器人还无法实现稳定平衡行走，存在一定的危险性，且当人体出现错误的行走姿势时无法有效地进行矫正。多传感信息融合技术能够提高整个系统的可靠性并能够增强数据的可信度，提高
精度。而正是多传感器融合技术能够解决检测等问题的优势，将其应用在助力行走外骨骼机器人系统设计中，能够更准确地检测到人体所处的状态进行预判，从而实现更准确更安全更舒适的辅助行走。现在的辅助行走系统方法一般有：使用者通过自动
控制器来控制的穿戴式外骨骼机器人辅助行走系统，相当于是遥控机器人，达到辅助行走的功能；基于
机器视觉的机器人辅助行走系统，机器人通过摄像头采集并经处理器
图像处理得到周围的信息，进而控制机器人运动的
姿态。通过这些方法来检测跌倒，存在以下几个问题：1)自动控制器来控制的机器人存在安全隐患，不能及时检测失衡状态，且普遍操作复杂，推广性较差；2)通过摄像头进行
图像识别的方案存在许多干扰因素，当周围环境过于复杂时会导致判断错误，可能会对人体造成伤害；
3)使用者行走时感觉单调无味，用户体验感差。
实用新型内容
[0003] 为了克服
现有技术存在的不足，本实用新型提供一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统，其可穿戴、精度高、成本低、安全可靠。具体技术方案如下：
[0004] 一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统，其特征在于，该系统包括外骨骼机器人骨架、腰部模
块、脚底模块、运动模块；
[0005] 其中，所述的外骨骼机器人骨架包括背部机构、腰部机构和一组腿脚机构，所述的背部机构的两端分别可伸缩连接一个腰部机构，且所述的腰部机构相对于背部机构可转动；每个腰部机构各连接一个腿脚机构；
[0006] 所述的腿脚机构包括依次可转动连接的髋关节、可伸缩大腿、
膝关节、可伸缩小腿踝关节和脚，以及位于所述的髋关节、膝关节、上的关节限位机构；
[0007] 所述的腰部模块包括腰部
单片机、腰部
无线通信模块和至少五个姿态检测传感器，所述的姿态检测传感器分别固定在所述的骨架的左大腿、右大腿、左小腿、右小腿和背部机构上，用于获取人体各部位与竖直方向的
角度偏移以及三轴
加速度值；
[0008] 所述的脚底模块包括电连接的
压力传感器、脚底单片机、脚底无线通信模块，所述的压力传感器用来检测被穿戴者的脚踩力，所述的脚底单片机对传感器产生的电
信号转换为
数字信号，通过脚底无线通信模块发送给腰部模块；
[0009] 所述运动模块包括位于左右髋关节、膝关节、的四个腿部
电机、放置所述的外骨骼机器人骨架的
跑步机，所述的跑步机包括皮带和
支撑架，所述的骨架的背部机构连接在所述的跑步机的支撑架上，通过驱动固定在支撑架上的腰部电机，实现所述的外骨骼机器人骨架的移动和摆动；
[0010] 通过位于腿部的姿态检测传感器和脚底的力敏传感器检测使用者的姿态，并将数据发送给腰部单片机，通过腰部单片机控制位于左右髋关节、膝关节的四个腿部电机和腰部电机，辅助使用者走路。
[0011] 进一步地，所述的跑步机还包括交互模块，用于设定不同的行走模式；所述的交互模块还包括一个急停
开关，所述的急停开关为旋转复位式急停开关。
[0012] 进一步地，所述的腰部电机包括冠状面转动电机和上下移动电机。
[0013] 进一步地，还包括虚拟视觉系统，用于模拟正常人户外行走的体验。
[0014] 进一步地，所述的腿部电机为包含谐波减速器的直流无刷电机。
[0015] 进一步地，所述的姿态检测传感器均选用MPU6050六轴
陀螺仪加速度计，所述的脚底传感器选用FSR402压力传感器。
[0016] 进一步地，所述的脚底的压力传感器共有6个，左右脚各三个，其中，前脚掌布置两个，后足区域布置1个。
[0017] 本实用新型的有益效果如下：
[0018] 本实用新型的助力行走外骨骼机器人系统能够有效地判断出人体的状态，并通过压力传感器的合理布局，使得采集的压力值能够合理的反映出人体脚底的着地状态。结合多传感器融合的技术来分析出人体的实时状态，通过结合脚底压力数值与下肢各部位与竖直方向夹角判断人体所处的行走状态，进而驱动位于左右髋关节、膝关节的电机以设定速度转动，且协同驱动位于左右髋关节、膝关节的四个腿部电机控制外骨骼机器人规律地上下运动，提高了系统穿戴使用的舒适性；系统还可以自动矫正使用者在冠状面的倾斜角度，提高安全性。也使得一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统适用性更广、更安全可靠、更舒适。
附图说明
[0019] 图1是一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统各模块结构示意图；
[0020] 图2是外骨骼机器人骨架的结构示意图；
[0021] 图3是系统脚底模块压力传感器分区示意图；
[0022] 图4是力敏传感器工作原理图；
[0023] 图5是系统脚底模块FPC柔性
电路板设计图；
[0024] 图6是具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统的控制
流程图；
[0025] 1-外骨骼机器人骨架，2-腰部模块，3-脚底模块，4-运动模块，5-虚拟视觉系统，101-背部机构，102-腰部机构，103-腿脚机构，1031-左髋关节，1032-右髋关节，1033-可伸缩左大腿，1034-可伸缩右大腿，1035-左膝关节，1036-右膝关节，1037-可伸缩左小腿，
1038-可伸缩右小腿，1039-左踝关节，1040-右踝关节，1041-左脚，1042-右脚，21-腰部单片机，22-腰部无线通信模块，23、24、25、26、27-姿态检测传感器，31-压力传感器，32-脚底单片机，33-脚底无线通信模块，41、42、43、44-腿部电机，45-跑步机，451-皮带，452-支撑架，
453-交互模块，454-急停开关，46-冠状面转动电机、47-上下移动电机，48-系统电源模块。
具体实施方式
[0026] 下面根据附图和优选
实施例详细描述本实用新型，本实用新型的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0027] 如图1-2所示，一种具有自平衡性的助力行走外骨骼机器人系统，包括外骨骼机器人骨架1、腰部模块2、脚底模块3、运动模块4，其中，其中，外骨骼机器人骨架1包括背部机构101、腰部机构102和一组腿脚机构103，背部机构101的两端分别可伸缩连接一个腰部机构
102，且腰部机构相对于背部机构101可转动；每个腰部机构102各连接一个腿脚机构；
[0028] 左腿脚机构包括依次可转动连接的左髋关节1031、可伸缩左大腿1033、左膝关节1035、可伸缩左小腿1037、左踝关节1039和左脚1041，右腿脚机构包括依次可转动连接的右髋关节1032、可伸缩右大腿1034、右膝关节1036、可伸缩右小腿1038、右踝关节1040和右脚
1042，以及位于左、右髋关节1031、1032和左、右膝关节1035、1036上的关节限位机构1043；
腰部模块2包括腰部单片机21、腰部无线通信模块22和至少五个姿态检测传感器23、24、25、
26、27，五个姿态检测传感器23、24、25、26、27分别固定在骨架的左大腿1033、右大腿1034、左小腿1037、右小腿1038和背部机构101上，用于获取人体各部位与竖直方向的角度偏移以及三轴加速度值；腰部单片机21、腰部无线通信模块22位于跑步机的支撑架上；
[0029] 脚底模块3包括电连接的压力传感器31、脚底单片机32、脚底无线通信模块33，压力传感器31用来检测被穿戴者的脚踩力，脚底单片机32对传感器产生的
电信号转换为数字信号，通过脚底无线通信模块33发送给腰部模块2；
[0030] 运动模块4包括位于左右髋关节1031、1032、膝关节1035、1036的四个腿部电机41、42、43、44、放置外骨骼机器人骨架1的跑步机45，以及系统电源模块48，跑步机45包括皮带
451和支撑架452，骨架的背部机构101连接在跑步机的支撑架452上，并通过驱动固定在支撑架452上的腰部电机，包括冠状面转动电机46、上下移动电机47，实现外骨骼机器人骨架1的移动和摆动；通过位于腿部的姿态检测传感器和脚底的力敏传感器检测使用者的姿态，并将数据发送给腰部单片机，通过腰部单片机控制位于左右髋关节、膝关节的四个腿部电机和冠状面转动电机、上下移动电机，辅助使用者走路。所有模块均与电源模块48电气相连，部分模块需要对电源模块进行降压后电气相连。
[0031] 所述的腰部单片机选用STM32F103RCT6，用来读取分别固定在所述的骨架的左大腿1033、右大腿1034、左小腿1037、右小腿1038和背部机构101上的姿态检测传感器的数据，并驱动腰部无线通信模块22接收来自脚底模块3的数据，最终将来自脚底模块的压力值数据和各姿态检测传感器的数据进行融合，综合判断人体的状态，进而驱动冠状面转动电机46、上下移动电机47、四个腿部电机41、42、43、44辅助使用者行走至下一个行走状态，并时刻保持使用者身体在一定范围内可以在冠状面内自由地左右摆动，同时，为了助力使用者更符合实际地行走，腰部单片机21驱动上下移动电机47使得外骨骼机器人系统
重心规律改变。
[0032] 电源模块48采用220V交流电，通过多个降压模块后与各模块电气相连，为系统提供
电能。
[0033] 各姿态检测传感器均选用MPU6050六轴陀螺仪加速度计，它能平衡加速度计与陀螺仪的量程精度，能分别设置高通低通滤波，能配置进入低功耗模式，必要时刻也完全可以连接三轴地
磁场传感器。MPU6050体积小巧，可靠性高且精度满足产品的要求。MPU6050通过I2C与单片机通信，可有效减小对单片机资源的占用，并且与
模拟信号相比，数字信号抗干扰能力强。这里用MPU6050来获取左右腿与竖直方向所成的角度以及人体在冠状面内的偏转角度。如图2所示为外骨骼机器人的骨架，系统通过3D打印技术可制作成实物，平面α即为人体冠状面。
[0034] 急停开关454为旋转复位式急停开关，系统工作时使用者手握急停开关，当遇到紧急情况时可立刻按下急停开关使系统停止工作，按下开关后可通过旋转开关来启动系统，一定程度上保证了使用者的安全性。
[0035] 虚拟视觉系统5可根据用户在交互模块453中选择的模式来切换场景，使用者戴上虚拟视觉系统5并穿戴上外骨骼机器人系统时，可以感受身临其境的画面，一定程度上改善了用户体验感。
[0036] 参照图3，力敏传感器脚底分区：在左右脚分别放置三个传感器，共计6个传感器。由于需要获得来自脚底的有效数据，需要将脚底的各部分信号获取并分析出人体的行走状态。为尽可能节约成本，根据脚底主要受力情况可分为两个区域，脚底前脚掌的受力情况较为复杂，故使用两个分布式的压力传感器来检测前脚掌的压力情况。如图3所示，将传感器分布于人体前脚掌以及后足区域，通过这些区域来判断出人体位于行走步态周期的哪一个阶段。
[0037] 压力传感器的选型：压力传感器种类很多，如电容式、压阻式、压电式等，其中绝大多数存在体积太大或者精确度差等原因，不适合用于测量足底压力。所以本系统采用的传感器需要有穿着舒适、体积小、精度高等特点。根据这些特点，综合考虑足底压力测量的多个因素，最终选择了FSR402力敏传感器作为测量元件。
[0038] 如图4所示，当来自于外界的压力作用在力敏传感器的感应区时，FSR402的阻值会发生变化。且随着外界作用力的增大，FSR402的阻值会减少。FSR402提供两个输出引脚，通过外接电路的分压原理将压力值转换为
电压值进行测量。由图中可知左脚放置有L1～L3，3个传感器；右脚放置有R1～R3，3个传感器。
[0039] 如图5所示，系统采用FPC柔性
电路板作为脚底压力检测系统用以连接压力传感器与控制器的电路结构，尽可能实现用户穿着的舒适度，图中画出了8个传感器的连
接口，可根据需要使用。
[0040] 脚底模块3先由力敏传感器在脚底各个分区采集数据，再经脚底单片机32进行
模数转换，最后由脚底无线通信模块33将数据包发送给腰部无线通信模块22，实现检测和数据传输。
[0041] 其中，脚底的
算法来自于两脚之间的数据融合。当左右两脚所测数据传送至腰部的单片机之后，将会进行算法判断：如图3所示，左右两脚共计六个传感器(L1～L3和R1～R3)，各分为两个区域，左脚为LA、LB，右脚为RA、RB，压力传感器接上放大电路后连接到单片机上，检测到的为模拟信号，单片机通过自带的
模数转换器将电信号转换成数字信号，设定一
阈值P，若转换而来的数字信号大于P，则表示该传感器所对应的部位着地，标记为1，否则标记为0。现作详细说明，若L1+L2≥1，则代表前脚掌区域着地；若L3＝1，则代表脚后跟着地，若为0则代表不着地。
[0042] 经过大量的实验测试与统计分析，大部分人走一步路可分解为七个状态，不断周而复始，通过分析比较可得出各个状态脚底各区域压力值的特征，可通过检测到的脚底压力情况分析人体所处的状态，进而驱动
舵机协同运动辅助行走。这七个状态和特征分别是：
[0043] 右脚脚后跟着地，左脚前脚掌着地，左脚准备向前迈(状态1)：此时左脚的前脚掌区域检测到明显的压力，右脚的后足区域检测到明显的压力：
[0044] FLA＝1&&FRB＝1
[0045] 右脚完全着地，左脚即将离地处于摆动状态(状态2)：此时右脚的三个区域都检测到明显的压力，左脚的前脚掌区域检测到明显的压力：
[0046] FLA＝1&&FR＝1
[0047] 右脚完全着地，左脚脚后跟着地(状态3)：此时右脚的三个区域都检测到明显的压力，左脚的后足区域检测到明显的压力：
[0048] FLB＝1&&FR＝1
[0049] 左脚脚后跟着地，右脚前脚掌着地，右脚准备向前迈(状态4)：此时左脚的后足区域检测到明显的压力，右脚的前脚掌区域检测到明显的压力：
[0050] FLB＝1&&FRA＝1
[0051] 左脚完全着地，右脚即将离地处于摆动状态(状态5)：此时左脚的三个区域检测到明显的压力，右脚的前脚掌区域检测到明显的压力：
[0052] FL＝1&&FRA＝1
[0053] 左脚完全着地，右脚完全离地处于摆动状态(状态6)：此时左脚的三个区域检测到明显的压力，右脚的三个区域均无检测到明显的压力：
[0054] FL＝1
[0055] 左脚完全着地，右脚脚后跟着地(状态7)：此时左脚的三个区域检测到明显的压力，右脚的后足区域检测到明显的压力：
[0056] FL＝1&&FRB＝1
[0057] 式中，FL为人体的左脚所受压力情况，FR为人体的右脚所受压力情况，FLA为人体左脚前脚掌区域所受压力情况，FLB为人体左脚后足区域所受压力情况，FRA为人体右脚前脚掌区域所受压力情况，FRB为人体右脚后足区域所受压力情况。
[0058] 得到两只脚底各区域压力值后，还需要结合分别固定在所述的骨架的左大腿1033、右大腿1034、左小腿1037、右小腿1038的姿态检测传感器检测到的左右腿与竖直方向所成角度，进行综合分析判断，协同控制，当脚底处于各个状态时：
[0059] 状态1：此时两腿所成角度为一个步行周期中最大的夹角，右上电机43反转使右大腿向竖直方向靠拢，右下电机44正转使右小腿弯曲，左上电机41正转使左大腿向竖直方向靠拢，左下电机42反转使左小腿弯曲。
[0060] 状态2：此时左腿处于摆动状态，右上电机43反转使右大腿先向竖直方向靠拢再偏离竖直方向直至与竖直方向成一定数值为负的角度，右下电机44正转使右小腿弯曲程度变小，左上电机41正转使左大腿向竖直方向靠拢再偏离竖直方向直至与竖直方向成一定数值为正的角度，左下电机42正转使左小腿弯曲程度变小。
[0061] 状态3：两腿间的夹角不断增大，右上电机43反转使右大腿继续偏离竖直方向，右下电机44反转一定角度使右小腿弯曲，左上电机41正转使左大腿继续偏离竖直方向，左下电机42正转使左小腿弯曲程度变小。
[0062] 状态4：右上电机43正转使右大腿向竖直方向靠拢，右下电机44反转一定角度使右小腿弯曲，左上电机41反转使左大腿向竖直方向靠拢，左下电机42正转使左小腿弯曲程度变小。
[0063] 状态5：右腿处于摆动状态，右上电机43正转使右大腿偏离竖直方向，右下电机44正转一定角度使右小腿弯曲程度变小，左上电机41反转使左大腿向竖直方向靠拢，左下电机42正转使左小腿弯曲程度变小。
[0064] 状态6：右上电机43正转使右大腿偏离竖直方向，右下电机44正转一定角度使右小腿弯曲程度变小，左上电机41反转使左大腿偏离竖直方向，左下电机42反转一定角度使左小腿略微弯曲。
[0065] 状态7：此时右上电机43正转使右大腿偏离竖直方向，右下电机44正转一定角度使右小腿弯曲程度变小，左上电机41反转使左大腿偏离竖直方向，左下电机42反转使左小腿弯曲程度变大，两腿之间的夹角不断增大，若达到限定角度则系统会自动改变舵机运动状态。
[0066] 腰部单片机驱动位于骨架的左大腿1033、右大腿1034、左小腿1037、右小腿1038和背部机构101上的MPU6050六轴陀螺仪加速度计得到左右腿与竖直方向的夹角以及人体在冠状面内的偏转角度，若人体在冠状面内偏转角度超过阈值，则系统会驱动冠状面转动电机46纠正错误的行走状态，通过综合脚底各区域压力值、下肢各部位与竖直方向夹角来协同控制四个电机转动，不停地辅助使用者重复设定好的步态周期，能准确判断人体的实时状态，并驱动上下移动电机47规律改变外骨骼机器人系统的重心，提高用户体验效果。在发生紧急情况时，使用者可按下手中的急停开关454停止系统工作，起到更安全、更舒适的助力行走功能。同时，为了实现更好的用户体验，系统还配有与外骨骼机器人行走时速时刻匹配的跑步机45和专
门的虚拟视觉系统5，使用者可穿戴者外骨骼机器人系统，戴上虚拟视觉系统，并自行选择模式，可以在室内体验到漫步在各种不同的场景。
[0067] 现结合图6的系统控制流程图作进一步说明：
[0068] 本实用新型实施中，首先，将使用者穿好含有压力传感器31
鞋垫的鞋，穿戴好外骨骼机器人系统，戴好虚拟视觉系统5，手握急停开关454，使用者需要先打开交互模块453，并选择行走的模式与速度以及行走的场景，此时系统开始运行，各模块进行初始化。同时利用分压的方法将力敏传感器FSR402中的
电阻值转换为电压值。接着，腰部单片机STM32F103将收到来自脚底模块3的数据，脚底模块3通过脚底无线通信模块33与腰部单片机21进行数据传输，腰部单片机21同时时刻读取五个MPU6050六轴陀螺仪加速度计的数据，首先系统将根据接收到的脚底压力数据判断人体所处的行走状态，在上文中提到人体正常行走大致可分为七个步态，在一个步态周期中人体的重心、脚底各区域压力分布情况、下肢各部分与竖直方向所成的角度均有规律变化，腰部单片机21在确定使用者目前所处的行走状态后，协同控制位于左右髋关节、膝关节的四个腿部电机41、42、43、44助力人体行走到下一个步态，这一过程中腰部单片机21需要不停地读取五个姿态检测传感器23、24、25、26、27的数据，进而结合脚底压力数据判断人体是否已成功到达下一步态，若已到达目标步态，则继续
驱动电机辅助人体行走至下一步态阶段。这期间，腰部单片机21将根据位于左右髋关节、膝关节的四个姿态检测传感器23、24、25、26的数据来控制上下移动电机47规律改变系统重心高度，同时腰部单片机需实时读取腰部姿态检测传感器27的数值，若人体冠状面偏转角度超过了阈值，则根据偏差值驱动电机46使恢复正常行走状态，确保使用者使用的舒适性、安全性。最终使用者可以在室内体验到漫步于户外各种场景的心旷神怡，既起到了锻炼腿部的功能，还可以让使用者心情变好。
[0069] 本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为实用新型的优选实例而已，并不用于限制实用新型，尽管参照前述实例对实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在实用新型的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在实用新型的保护范围之内。
