Способ приведения в движение экзоскелета
Группа изобретений относится к области использования элементов робототехники для создания конструкций экзоскелета, надеваемого на человека, и приведения его в движение. Экзоскелет при этом имеет множество степеней свободы, в том числе по меньшей мере одну степень свободы, активируемую приводом, управляемым средствами обработки данных, и по меньшей мере одну не активируемую степень свободы. Для обеспечения шагания экзоскелета способ включает этапы, на которых при поступлении запроса на старт генерируют и передают команду по меньшей мере на один из приводов для перевода экзоскелета в состояние раскачивания, в базе данных, находящейся в средствах записи данных триплетов, включающих в себя набор виртуальных ограничений для активируемых степеней свободы, контроллер экзоскелета и область устойчивости, идентифицируют набор виртуальных ограничений, при котором состояние раскачивания находится в области устойчивости, связанной с набором виртуальных ограничений, и обеспечивают исполнение контроллером команд, связанных с идентифицированным набором виртуальных ограничений. Использование изобретений позволяет повысить надежность работы экзоскелета. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Общая область техники
Настоящее изобретение относится к области роботов типа экзоскелета.
В частности, оно касается способа приведения в движение экзоскелета.
Уровень техники
С недавних пор для лиц с серьезными проблемами подвижности, таких как лица, пораженные параличом, появились устройства для ходьбы с использованием технических средств, называемые экзоскелетами, которые представляют собой внешние роботизированные устройства, которые человек-оператор (пользователь) «надевает на себя» при помощи системы креплений, связывающей движения экзоскелета с его собственными движениями. Экзоскелеты нижних конечностей имеют несколько шарниров, обычно по меньшей мере на уровне колен и бедер, чтобы воспроизводить движения ходьбы. Приводы обеспечивают приведение в движение этих шарниров, которые, в свою очередь, заставляют двигаться оператора. Система интерфейса позволяет оператору выдавать команды на экзоскелет, и система управления преобразует эти команды в команды для приводов. Обычно устройство дополнено датчиками.
Эти экзоскелеты представляют собой большой шаг вперед по сравнению с инвалидными колясками, так как позволяют операторам вставать и шагать. Экзоскелеты больше не ограничены колесами и теоретически могут передвигаться в большинстве неплоских окружающих сред: в отличие от ног колеса не позволяют преодолевать серьезные препятствия, такие как ступеньки, лестницы, препятствия большой высоты и т.д.
Однако во время использования ни один из этих экзоскелетов не обеспечивает автономную человеческую ходьбу, то есть ходьбу, стабильную и надежную на самых разнообразных участках местности, антропоморфную и без внешнего содействия.
В большинстве случаев эти ограничения предопределяют неспособность устройства самостоятельно управлять равновесием или направлением ходьбы. Обычно эти две задачи переходят к оператору, который реализует их при помощи костылей, как предложено, например, в патенте US 153242 компании Rewalk или в заявке US 2016038371, поданной компанией Ekso-Bionics.
В патенте ЕР 2231096 на имя Rex-Bionics отдельно описан экзоскелет, который можно использовать без внешней помощи, для лица, неспособного обеспечивать свою собственную устойчивость. Принцип контроля, описанный в абзаце [0122], ясно показывает необходимость перемещения центра давления (физическая точка, соответствующая результирующей сил реакции, действующих на систему со стороны земли) от одной части опорного многоугольника (выпуклая огибающая точек контакта с землей) на другую часть опорного многоугольника.
Это ограничение предопределяет очень медленную ходьбу (несколько метров в минуту) с короткими шагами (менее 30 см), во время которой опорная стопа постоянно находится в плоском контакте с землей. Следовательно, тип доступной окружающей среды является ограниченным, поскольку неровные участки земли по сути дела исключаются. Точно так же, малейшее препятствие, такое как камень или небольшой предмет, создает риск потери равновесия системой, если она наступает на него стопой в данный момент, и в конечном итоге приводит к ее падению.
Следовательно, существует потребность в новой парадигме ходьбы для экзоскелетов, которая позволяет преодолеть эти недостатки, чтобы предложить быструю естественную ходьбу без риска падения или потери равновесия даже на трудном и непредвиденном участке земли.
Раскрытие изобретения
Таким образом, первым объектом изобретения является способ приведения в движение экзоскелета, надеваемого на человека-оператора, при этом указанный экзоскелет имеет множество степеней свободы, в том числе по меньшей мере одну степень свободы, активируемую приводом, управляемым средствами обработки данных, и по меньшей мере одну неактивируемую степень свободы, при этом способ отличается тем, что включает в себя следующие этапы, осуществляемые средствами обработки данных:
(а) Когда поступает запрос на старт, генерирование и передача команды по меньшей мере на один из указанных приводов, чтобы перевести экзоскелет в состояние раскачивания;
(b) в базе данных, находящейся в средствах записи данных триплетов, включающих в себя:
- набор виртуальных ограничений для указанных активируемых степеней свободы, при этом виртуальные ограничения параметрированы по фазовой переменной,
- контроллер указанного экзоскелета, выполненный с возможностью генерировать команды для указанных приводов таким образом, чтобы соблюдать указанные виртуальные ограничения, применяя по меньшей мере одну стабильную притягательную траекторию в топологическом многообразии, образованном совокупностью n-плетов возможных значений указанных неактивируемых степеней свободы и фазовой переменной,
- область устойчивости, образованную совокупностью точек гиперплоскости указанного многообразия, для данного значения фазового параметра, на основании которых исполнение указанного контроллера обеспечивает схождение к указанной стабильной притягательной траектории;
идентификация набора виртуальных ограничений, при котором указанное состояние раскачивания находится в указанной области устойчивости, связанной с этим набором виртуальных условий;
(с) исполнение контроллера, связанного с идентифицированным набором виртуальных условий, таким образом, чтобы экзоскелет шагал.
Согласно предпочтительным и не ограничительным признакам:
- этап (а) включает в себя определение заданного значения скорости и/или направления ходьбы, в зависимости от которых генерируют указанную команду по меньшей мере на один из указанных приводов, при этом этап (с) включает в себя проверку, чтобы убедиться, что при производимой ходьбе соблюдается указанное заданное значение скорости и/или направления в указанной базе данных;
- если указанное заданное значение скорости и/или направления при ходьбе не соблюдается, способ содержит этап (d) идентификации в указанной базе данных нового набора виртуальных ограничений, при котором текущее состояние экзоскелета находится в указанной области устойчивости, связанной с этим набором виртуальных ограничений; и повторение этапа (с);
- указанное заданное значение скорости и/или направления ходьбы определяют в зависимости от положения тела указанного человека-оператора;
- торс оператора оснащают множеством датчиков положения, при этом указанное заданное значение скорости и/или направления ходьбы определяют в зависимости от положения указанного торса оператора, измеряемого множеством датчиков;
- состояние раскачивания является состоянием, в котором Точка Нулевого Момента или ZMP не находится внутри площади опорного основания экзоскелета;
- этап (с) включает в себя остановку экзоскелета, если не идентифицирован ни один приемлемый набор виртуальных ограничений.
Вторым объектом изобретения является экзоскелет, содержащий средства обработки данных и имеющий множество степеней свободы, в том числе по меньшей мере одну степень свободы, активируемую приводом, управляемым средствами обработки данных, и по меньшей мере одну неактивируемую степень свободы, и отличающийся тем, что содержит средства хранения данных, в которых записана база данных триплетов, включающих в себя:
- набор виртуальных ограничений для указанных активируемых приводом степеней свободы, при этом виртуальные ограничения параметрированы по фазовой переменной,
- контроллер указанного экзоскелета, выполненный с возможностью генерировать команды для указанных приводов таким образом, чтобы соблюдать указанные виртуальные условия, применяя по меньшей мере одну стабильную притягательную траекторию в топологическом многообразии, образованном совокупностью n-плетов возможных значений указанных неактивируемых степеней свободы и фазовой переменной,
- область устойчивости, образованную совокупностью точек гиперплоскости указанного многообразия, для данного значения фазового параметра, на основании которых исполнение указанного контроллера обеспечивает схождение к указанной стабильной притягательной траектории;
и тем, что средства обработки данных выполнены с возможностью применять:
- модуль генерирования и передачи команды по меньшей мере на один из указанных приводов таким образом, чтобы перевести экзоскелет в состояние раскачивания при получении команды на старт;
- модуль идентификации в указанной базе данных средств хранения набора виртуальных ограничений, при котором указанное состояние раскачивания находится в указанной области устойчивости, связанной с этим набором виртуальных ограничений;
- модуль исполнения контроллера, связанного с идентифицированным набором виртуальных ограничений, таким образом, чтобы экзоскелет шагал.
Третьим и четвертым объектами изобретения являются компьютерный программный продукт, содержащий командные коды для исполнения заявленного способа приведения в движение экзоскелета; и средство хранения, считываемое информативным устройством, на котором компьютерный программный продукт содержит командные коды для исполнения заявленного способа приведения в движение экзоскелета.
Описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения. Это описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схема экзоскелета (типа экзоскелета) для осуществления заявленного способа.
Фиг. 2 - пример изменения фазовой переменной и изменения активируемой степени свободы в зависимости от этой фазовой переменной.
Фиг. 3 - схематичное отображение многообразия гибридной нулевой динамики и области притяжения циклической траектории.
Фиг. 4 - схема предпочтительного варианта осуществления заявленного способа.
Осуществление изобретения
Ходьба с опорой на стопу
«Естественная» ходьба человека характеризуется последовательностью фаз, во время которых ступни могут опираться на землю, находиться в воздухе или перекатываться по земле. Эта способность перекатывать стопу является первостепенной для ходьбы, так как она позволяет делать большие шаги и обеспечивает устойчивость на самых разных участках земли.
Однако созданные недавно так называемые экзоскелеты первого поколения не имеют активируемой приводом стопы или сохраняют опорную стопу на земле.
Действительно, осуществление этого переката является сложным для двуногих человекоподобных роботов или роботизированных устройств. Когда центр давления достигает границы опорного многоугольника, система начинает поворачиваться вокруг этой точки и, следовательно, больше не находится в статическом равновесии.
В случае ходьбы перекат стопы предопределяет частичную потерю контакта с землей на уровне опорной стопы, вследствие чего:
- опорный многоугольник (опорная площадь) уменьшается, потенциально до одной точки, что затрудняет и даже делает невозможным удержание центра давления внутри опорного многоугольника;
- система находится в ситуации недостаточного привода, то есть больше не может действовать на все свои степени свободы. В этом случае возможны не все движения.
В такой ситуации классические формальные принципы ходьбы с опорой на стопу, описанные в документе Kajita S., K. F. (2003). Biped Walking pattern generation by using preview control of Zero-Moment Point. ICRA, (стр. 1620-1626), или принцип, описанный в патенте Rex-Bionics ЕР 2231096, больше не работают.
Естественным стремлением было бы переместить поднятую ногу вперед и поставить вторую стопу на землю, чтобы вернуться в опорный многоугольник и восстановить равновесие, при этом система свободно вращается и в некотором роде «падает». В этом случае говорят о динамической ходьбе, так как тело проходит через последовательные нестабильные положения, но только в переходном режиме (если человека «остановить на полному ходу», он упадет).
При данном рассмотрении динамической ходьбы быстрый перевод поднятой ноги в положение, которое хотя бы на короткое время восстанавливает равновесие, является сложным. Действительно, если этой стопе задать заранее вычисленную по параметрам траекторию, эта стопа может опереться на землю слишком рано или слишком поздно в результате неконтролируемого поведения системы, активируемой в недостаточной степени и даже испытывающей небольшие помехи (невозможно скорректировать траекторию, которая слегка отклоняется от запланированной). Это может создать дискомфорт для оператора, нарушить его равновесие и даже может привести к его падению, в том числе на простых участках земли.
Именной по этой причине экзоскелеты первого поколения (и многие человекоподобные роботы) стараются избежать такой ситуации, оставляя опорную стопу на земле, что приводит к вышеупомянутым ограничениям скорости ходьбы, длины шага, допустимого типа участка земли и общей устойчивости ходьбы.
Архитектура
Как показано на фиг. 1, представленный способ является способом обеспечения ходьбы экзоскелета 1, то есть механической шарнирной системы типа активируемого приводами и управляемого двуногого роботизированного устройства, имеющего две ноги, которое надевают на человека-оператора, каждую из нижних конечностей которого неподвижно соединяют с ногой экзоскелета 1 (в частности, при помощи лямок). Оно может быть более или менее человекоподобным роботом. Под «ходьбой» следует понимать приведение в движение роботизированного устройства 1, которое выражается на практике поочередной опорой на ноги в положении стоя, чтобы получать перемещение.
Экзоскелет 1 имеет множество степеней свободы, то есть содержит множество деформируемых шарнирных соединений (как правило, вращающихся), то есть подвижных относительно друг друга, при этом каждое из них является либо «активируемым», либо «неактивируемым».
Активируемая степень свободы обозначает шарнир, оснащенный приводом, управляемым средствами 11 обработки данных, то есть эта степень свободы является контролируемой, и на нее можно воздействовать. С другой стороны, неактивируемая степень свободы представляет собой шарнир, не имеющий привода, то есть эта степень свободы следует своей собственной динамике, и средства 11 обработки данных не контролируют ее напрямую (но априори существует непрямой контроль через другие активируемые степени свободы). В примере, представленном на фиг. 1, контакт пятка-земля является точечным, и экзоскелет 1 может свободно поворачиваться относительно этой точки контакта. Угол между осью пятка-бедро и вертикалью образует неактивируемую степень свободы.
Естественно, данный экзоскелет имеет по меньшей мере одну активируемую степень свободы, предпочтительно несколько, а также по меньшей мере одну неактивируемую степень свободы, то есть, как указано выше, его называют «недостаточно активируемым». Совокупность неактивируемых степеней свободы называют степенью свободы с недостаточным активированием.
Средства 11 обработки данных представляют собой компьютерное устройство (как правило, процессор, который является либо внешним, если экзоскелет 1 является «телеуправляемым», но предпочтительно установлен в экзоскелете 1), выполненное с возможностью обрабатывать поступающие команды и создавать команды для различных приводов. Последние могут быть электрическими, гидравлическими и т.д.
Настоящая заявка не ограничивается архитектурой экзоскелета 1, и в качестве примера можно взять сведения из заявок WO 2015140352 и WO 2015140353.
Таким образом, в соответствии с этими заявками экзоскелет 1 предпочтительно содержит на каждой ноге конструкцию стопы, имеющую опорную плоскость, на которую может опираться стопа ноги человека с надетым на него экзоскелетом, когда стопа находится в положении опоры.
Эта опорная плоскость содержит переднюю площадку и заднюю площадку, при этом поворотная связь стопы соединяет переднюю площадку с задней площадкой, образуя неактивируемую степень свободы.
Специалист в данной области сможет адаптировать настоящий способ для любой другой механической архитектуры.
Гибридная нулевая динамика
Традиционно, траектории/движения каждой степени свободы выражаются в зависимости от времени. «Динамику» системы определяют по функции f: χ × U × R+ → χ и по исходной точке ξ∈χ, при этом функцию f записывают как 
, x0 = ξ, при этом χ является пространством состояния экзоскелета 1, и U является пространством контроля.
С другой стороны, в рамках так называемого метода «виртуальных ограничений» принцип состоит в том, чтобы для совокупности активируемых степеней свободы выбрать траекторию, задаваемую параметром движения не во времени, а напрямую в зависимости от конфигурации, причем этот параметр называют фазовой переменной. Пример такой фазовой переменной представлен на фиг. 1, и речь идет об угле между осью пятка-бедро и вертикалью, который в этом случае образует вышеупомянутую неактивируемую степень свободы.
Фазовая переменная позволяет определить «продвижение» на один шаг. В частности, при каждом шаге фазовая переменная постоянно переходит от первоначального значения к конечному значению, после чего опять принимает первоначальное значение: это начало следующего шага. Для облегчения можно нормализовать значение фазового параметра между 0 и 1.
Каждому значению параметра изменения соответствует одно значение активируемых степеней свободы, которому система должна стараться следовать: именно эти отношения (одно для каждой активируемой степени свободы, которую можно таким образом контролировать) называют виртуальными ограничениями. На фиг. 2 показана работа виртуальных ограничений для одного шарнирного соединения - колена.
Если система точно следует этой траектории при степенях свободы, на которые можно или на которые хотят воздействовать, иначе говоря, если виртуальные ограничения для этих степеней соблюдены, то движение системы полностью определяется движением неактивируемых степеней свободы, которые следуют своей собственной динамике.
Эту динамику называют «гибридной нулевой динамикой» или HZD (Hybrid Zero Dynamics), так как:
- ее называют «нулевой», поскольку она соответствует степеням, на которые не может/не хочет действовать команда, то есть команда равна 0;
- ее называют «гибридной», так как соприкосновение стопы с землей задает дискретные мгновенные фазы, которые прерывают непрерывные фазы.
Эта гибридная нулевая динамика зависит от выбранных виртуальных ограничений, и их правильный выбор может заставить эту динамику включать в себя периодическую притягательную «орбиту», то есть траекторию, к которой система притягивается естественным образом.
На фиг. 3 более наглядно показано, что для данного набора виртуальных ограничений «ограничивающее» состояние пространства представляет собой топологическое многообразие гибридной нулевой динамики, в котором каждая точка определена вектором значений неактивируемых степеней свободы и значения фазового параметра (и, в случае необходимости, их производных). Понятно, что это многообразие не обязательно является трехмерным, как в случае фиг. 3, речь идет только о примере, облегчающем понимание феномена, и можно считать, что многообразие является n-мерным.
Каждое значение фазового параметра определяет гиперплоскость (с размерностью n-1) многообразия, включающего в себя все n-1-плеты возможных значений неактивируемых степеней свободы для этого фазового параметра.
Одна из этих гиперплоскостей, показанная на фиг. 3, представляет собой комплекс S, называемый “switching surface”, который соответствует границе между двумя циклами, то есть точке, в которой фазовая переменная возвращается от конечного значения к первоначальному значению: во время шага начинают с состояния S, применяют динамику, пока x ∉ S, формируя орбиту вплоть до возвращения в точку, принадлежащую к S.
Таким образом, переходят от «непрерывной n-размерной» системы к «дискретной n-1-размерной» системе из расчета на каждый цикл.
Если исходная точка и конечная точка являются одинаковыми («фиксированная точка»), получают периодическую орбиту в многообразии гибридной нулевой динамики, как показано на фиг. 3.
Чтобы периодическая орбита была, как ее называют, притягательной, необходимо также, исходя из точки, отличной от фиксированной точки, приближаться к следующей итерации фиксированной точки (в отличие от нестабильных периодических орбит, в которых происходит расхождение сразу даже при незначительном удалении от фиксированной точки).
Таким образом, можно определить область притяжения, то есть подпространство в S, содержащее совокупность указанных точек, отличных от фиксированной точки, в котором приближаются к следующей итерации фиксированной точки, то есть в котором любая траектория, начинающаяся в этой области, все больше приближается к периодической притягательной орбите после каждого цикла ходьбы (траектория zi→zf). В частности, система сходится при исходной точке в области и расходится при исходной точке за пределами области (то есть в конечном итоге падает).
Можно предусмотреть контроллер типа HZD (ниже будет показано, каким образом), который заставляет систему соблюдать виртуальные ограничения и максимизирует притягательный характер цикла при недостаточно активируемых степенях свободы. Это позволяет сначала убедиться, что экзоскелет 1 будет, например, способен переносить свою свободную стопу вперед и приземлять ее ни слишком рано, ни слишком поздно, несмотря на недостаточную активируемость. Кроме того, даже в присутствие помех, пока система остается в области притяжения, недостаточно активируемые степени свободы сходятся естественным образом к периодической орбите, и система возвращается к предусмотренному циклу ходьбы после нескольких шагов, и, следовательно, обеспечивается скорость ходьбы.
Кроме того, эта концепция позволяет управлять также фазами, во время которых опорная стопа входит в контакт с землей, поворачиваясь вокруг передней точки стопы, или во время фазы приземления и поворота вокруг задней точки стопы. Каждый раз моно найти виртуальные ограничения для активируемых степеней свободы, которые создают гибридную нулевую динамику для других степеней свободы, в которой существует притягательный цикл.
Можно создать столько наборов ограничений, сколько это необходимо, соответствующих разным длинам шага, скоростям ходьбы и направлениям.
Если понятие контроллера типа HZD уже известно и позволяет создавать стабильные траектории, последние до сих пор являются циклическими и с не равной нулю начальной скоростью. Следовательно, это понятие нельзя применить к системам, начинающим движение после остановки, тем более не совсем воспроизводимым образом (по причине присутствия человека-оператора), каковыми являются экзоскелеты.
Настоящий способ приведения в движение экзоскелета 1 решает эти проблемы, обеспечивая средство, позволяющее оставаться внутри области притяжения.
На практике, как показано на фиг. 4, способ начинается с этапа (а) приведения экзоскелета 1 в состояние раскачивания. В частности, при поступлении запроса на старт средства обработки данных генерируют и передают команду по меньшей мере на один из указанных приводов, чтобы перевести экзоскелет 1 в это состояние раскачивания.
Под состоянием раскачивания следует понимать состояние, в котором точка нулевого момента ZMP ("Zero Moment Point") не находится внутри опорной площади экзоскелета 1. Более конкретно, точка ZMP представляет собой точку, в которой две из трех координат момента сил контакта являются нулевыми (чистая вертикальность).
Таким образом, приведение в состояние раскачивания предпочтительно соответствует сознательному перемещению точки ZMP таким образом, чтобы «вывести» точку ZMP из опорной площади, при помощи алгоритма старта. Следовательно, речь идет о ситуации «падения», которую до сих пор старались избежать любой ценой. Этот алгоритм старта может быть основан на предварительно рассчитанных и заранее протестированных параметрированных по времени движениях или на так называемых движениях датчиков, например, средств 13 обнаружения соприкосновения ступней с землей и/или инерциальных средств 14 измерения, установленных на экзоскелете 1.
Перед этим этап (а) предпочтительно включает в себя определение заданного значения скорости и/или направления ходьбы, в зависимости от которых генерируют указанную команду по меньшей мере на один из указанных приводов.
Действительно, если экзоскелет 1 является экзоскелетом, внутри которого должен находиться человек-оператор, именно положение тела указанного человека-оператора определяет указанное заданное значение скорости и/или направления ходьбы (в отличие от нормального робота, который может напрямую получать запрос на старт, содержащий заданное значение скорости и/или направления ходьбы).
Для этого, оператор может надеть на себя жилет 10 с датчиками, позволяющими отслеживать конфигурацию его торса (ориентацию торса). Направление, в котором оператор ориентирует свой торс, является направлением, в котором он собирается шагать, и скорость задается интенсивностью, с которой он смещает свой торс вперед (до какой степени он наклоняется). Запрос на старт может соответствовать нажатию кнопки оператором (или конкретному положению тела), обозначающему его намерение начать ходьбу, и, следовательно, подаче команды в средства обработки данных для определения заданного значения скорости и/или направления.
На главном этапе (b) идентифицируют набор виртуальных ограничений, при котором состояние раскачивания заключено в области устойчивости, соответствующей этому набору виртуальных ограничений в базе данных.
Действительно, в рамках настоящего способа предложено использовать базу данных (называемую библиотекой контроля), загруженную в средства 12 хранения данных (память, связанная со средствами 11 обработки данных) следующих триплетов:
- набор виртуальных ограничений для указанных активируемых степеней свободы, при этом виртуальные ограничения параметрированы по фазовой переменной (которому, как указано выше, соответствует притягательный цикл для недостаточно активируемых степеней свободы, определяющий полную траекторию для системы),
- контроллер HZD указанного экзоскелета 1, выполненный с возможностью генерировать команды для указанных приводов таким образом, чтобы соблюдать указанные виртуальные ограничения, применяя по меньшей мере одну стабильную притягательную траекторию в указанном топологическом многообразии, образованном совокупностью n-плетов возможных значений указанных неактивируемых степеней свободы и фазовой переменной,
- область устойчивости, образованную совокупностью точек гиперплоскости S указанного многообразия, для данного значения фазового параметра, на основании которых исполнение указанного контроллера обеспечивает схождение к указанной стабильной притягательной траектории (то есть отсутствие расхождения).
Как правило и как было указано выше, различные наборы виртуальных ограничений соответствуют разным длинам шага, скоростям ходьбы, разным направлениям, разным способам ходьбы и т.д. Специалист в данной области может легко их генерировать.
Для каждого контроллера HZD при моделировании и даже на практике было установлено, что он делает соответствующую траекторию стабильной, то есть что он даже в присутствии помех обеспечивает быстрое приведение к этой траектории, даже при недостаточно активируемых степенях свободы.
Понятно, что области устойчивости можно также определять путем моделирования (для каждой точки в S проверяют, расходится или сходится система, и идентифицируют совокупность точек, при которых она сходится).
Это решение оказалось исключительно эффективным, так как все самое сложное в динамической ходьбе реализуется заранее. В время работы экзоскелет просто находит в библиотеке контроля набор ограничений, определяющий для системы полную траекторию, стабильную в текущем состоянии раскачивания, и контроллер HZD гарантированно может обеспечивать надежную ходьбу, несмотря на возможные помехи.
Если ни один набор приемлемых виртуальных ограничений не идентифицирован (то есть для каждого набора виртуальных ограничений состояние раскачивания находится за пределами области устойчивости), на этапе (с) подают команду на остановку экзоскелета, чтобы обеспечить безопасность оператора.
Если идентифицирован набор приемлемых виртуальных ограничений, на этапе (с) происходит исполнение контроллера, связанного с идентифицированным набором виртуальных ограничений, таким образом, чтобы экзоскелет 1 шагал, то есть реализовал по меньшей мере один цикл (шаг).
Если было определено заданное значение скорости и/или направления ходьбы, этап (с) предпочтительно включает в себя предварительную проверку, чтобы производимая ходьба соблюдала указанное заданное значение скорости и/или направления, то есть чтобы погрешность между скоростью и/или направлением реализуемой ходьбы и указанным заданным значением скорости и/или направления была меньше заранее определенного порога.
Действительно, необходимо, чтобы идентифицированный набор ограничений не только обеспечивал стабильную траекторию, но чтобы он соответствовал командам оператора.
Если производимая ходьба соблюдает указанное заданное значение скорости и/или направления (то есть погрешность ниже порога), эта ходьба продолжается.
Если же, наоборот, производимая ходьба не соблюдает указанное заданное значение скорости и/или направления (то есть погрешность становится слишком большой), способ предпочтительно содержит этап (с) идентификации в указанной базе данных нового набора виртуальных ограничений, при котором текущее состояние экзоскелета 1 находится в указанной области устойчивости, соответствующей этому набору виртуальных ограничений; и повторение этапа (с), то есть загрузку и исполнение нового контроллера HZD.
Последовательность этапов (с) и (d) можно повторять циклично, так как заданные значения скорости и/или направления могут меняться в любой момент по желанию оператора: если заданные значения меняются, текущий набор может оказаться ненадлежащим, и может потребоваться идентификация нового набора ограничений в базе данных.
Следует отметить, что при каждом повторении этапа (с) он может включать в себя остановку экзоскелета 1, если не идентифицирован ни один приемлемый набор виртуальных ограничений.
Устройства и система
Вторым объектом изобретения является экзоскелет 1, в частности, типа экзоскелета для осуществления заявленного способа.
Как было указано выше, экзоскелет 1 содержит средства 11 обработки данных и средства 12 хранения данных (возможно внешние), а также, в случае необходимости, инерциальные средства 14 измерения (инерциальная система) и/или средства 13 для обнаружения соприкосновения ступней с землей (датчики контакта или, возможно, датчики давления).
Он имеет множество степеней свободы, в том числе по меньшей мере одну степень свободы, активируемую приводом, управляемым средствами 11 обработки данных, и по меньшей мере одну неактивируемую приводом степень свободы.
В средствах 12 хранения данных записана база данных триплетов, включающих в себя:
- набор виртуальных ограничений для указанных активируемых приводом степеней свободы, при этом виртуальные ограничения параметрированы по фазовой переменной,
- контроллер указанного экзоскелета 1, выполненный с возможностью генерировать команды для указанных приводов таким образом, чтобы соблюдать указанные виртуальные ограничения, применяя по меньшей мере одну стабильную притягательную траекторию в топологическом многообразии, образованном совокупностью n-плетов возможных значений указанных неактивируемых степеней свободы и фазовой переменной,
- область устойчивости, образованную совокупностью точек гиперплоскости указанного многообразия, для данного значения фазового параметра, на основании которых исполнение указанного контроллера обеспечивает схождение к указанной стабильной притягательной траектории.
Средства 11 обработки данных выполнены с возможностью применять:
- модуль генерирования и передачи команды по меньшей мере на один из указанных приводов таким образом, чтобы привести экзоскелет 1 в состояние раскачивания при получении команды на старт (и, в случае необходимости, для определения заданного значения скорости и/или направления);
- модуль идентификации в указанной базе данных средств 12 хранения набора виртуальных ограничений, при котором указанное состояние раскачивания находится в указанной области устойчивости, связанной с этим набором виртуальных ограничений (и при котором соблюдается указанное заданное значение скорости и/или направления);
- модуль исполнения контроллера, связанного с идентифицированным набором виртуальных ограничений, таким образом, чтобы экзоскелет шагал (или чтобы остановить экзоскелет 1, если ни один приемлемый набор виртуальных ограничений не идентифицирован).
Компьютерный программный продукт
Третьим и четвертым объектами изобретения являются компьютерный программный продукт, содержащий командные коды для исполнения (на средствах 11 обработки) заявленного способа приведения в движение экзоскелета 1, а также средства хранения, считываемые информативным устройством (например, средства 12 хранения данных), в которое загружен этот компьютерный программный продукт.
1. Способ приведения в движение экзоскелета (1), надетого на человека-оператора, при этом указанный экзоскелет (1) имеет множество степеней свободы, в том числе по меньшей мере одну степень свободы, активируемую приводом, управляемым средствами (11) обработки данных, и по меньшей мере одну не активируемую степень свободы, включающий следующие этапы, осуществляемые средствами (11) обработки данных:
(а) при поступлении запроса на старт генерируют и передают команду по меньшей мере на один из указанных приводов для перевода экзоскелета (1) в состояние раскачивания,
(b) в базе данных, находящейся в средствах записи данных триплетов, включающих в себя:
набор виртуальных ограничений для указанных активируемых степеней свободы, при этом виртуальные ограничения параметризованы по фазовой переменной,
контроллер указанного экзоскелета (1), выполненный с возможностью генерирования команд для указанных приводов с соблюдением указанных виртуальных ограничений с применением при этом по меньшей мере одной стабильной притягательной траектории в топологическом многообразии, образованном совокупностью n-плетов возможных значений указанных не активируемых степеней свободы и фазовой переменной,
область устойчивости, образованную совокупностью точек гиперплоскости указанного многообразия для данного значения фазового параметра, на основании которых исполнение указанного контроллера обеспечивает схождение к указанной стабильной притягательной траектории,
идентифицируют набор виртуальных ограничений, при котором указанное состояние раскачивания находится в указанной области устойчивости, связанной с указанным набором виртуальных ограничений, и
(с) обеспечивают исполнение контроллером команд, связанных с идентифицированным набором виртуальных ограничений, для шагания экзоскелета (1).
2. Способ по п. 1, в котором на этапе (а) определяют заданное значение скорости и/или направления ходьбы, в зависимости от которых генерируют упомянутую команду по меньшей мере на один из указанных приводов, при этом на этапе (с) проверяют в указанной базе данных соблюдение при производимой ходьбе указанного заданного значения скорости и/или направления.
3. Способ по п. 2, в котором, если указанное заданное значение скорости и/или направления при производимой ходьбе не соблюдается, содержится этап (d), на котором идентифицируют в указанной базе данных новый набор виртуальных ограничений, при котором текущее состояние экзоскелета (1) находится в области устойчивости, связанной с указанным набором виртуальных ограничений, и повторяют этап (с).
4. Способ по п. 2 или 3, в котором указанное заданное значение скорости и/или направления ходьбы определяют в зависимости от положения тела указанного человека-оператора.
5. Способ по п. 4, в котором торс оператора оснащают множеством датчиков положения, при этом указанное заданное значение скорости и/или направления ходьбы определяют в зависимости от положения указанного торса оператора, измеряемого множеством датчиков.
6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором состояние раскачивания является состоянием, в котором точка нулевого момента (ZMP) не находится внутри площади опорного основания экзоскелета (1).
7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором на этапе (с) останавливают экзоскелет (1), если не идентифицирован ни один приемлемый набор виртуальных ограничений.
8. Экзоскелет (1), надеваемый на человека-оператора, содержащий средства (11) обработки данных и имеющий множество степеней свободы, в том числе по меньшей мере одну степень свободы, активируемую приводом, управляемым средствами (11) обработки данных, и по меньшей мере одну не активируемую степень свободы, отличающийся тем, что он снабжен средствами (12) хранения данных, в которых записана база данных триплетов, включающих в себя:
набор виртуальных ограничений для указанных активируемых приводом степеней свободы, при этом виртуальные ограничения параметризованы по фазовой переменной,
контроллер указанного экзоскелета (1), выполненный с возможностью генерирования команд для указанных приводов с соблюдением указанных виртуальных условий с применением при этом по меньшей мере одной стабильной притягательной траектории в топологическом многообразии, образованном совокупностью n-плетов возможных значений указанных не активируемых степеней свободы и фазовой переменной,
область устойчивости, образованную совокупностью точек гиперплоскости указанного многообразия для данного значения фазового параметра, на основании которых исполнение указанного контроллера обеспечивает схождение к указанной стабильной притягательной траектории,
при этом средства (11) обработки данных выполнены с возможностью применять
модуль генерирования и передачи команды по меньшей мере на один из указанных приводов для приведения экзоскелета (1) в состояние раскачивания при получении команды на старт,
модуль идентификации в указанной базе данных средств хранения набора виртуальных ограничений, при котором указанное состояние раскачивания находится в указанной области устойчивости, связанной с указанным набором виртуальных ограничений,
модуль исполнения контроллером команд, связанных с идентифицированным набором виртуальных ограничений для шагания экзоскелета (1).
