腰部助力外骨骼及其控制方法技术

本发明专利技术提供一种腰部助力外骨骼及其控制方法。本发明专利技术基于人体髋关节运动方式，划分了人体正常的运动区间，结合人体下肢的运动和弯腰的特点，融合步态行走和弯腰搬运助力两种状态，对步态行走和弯腰两种状态进行了准确区分，并实现对人体弯腰搬运的有效辅助，同时不影响人体正常运动。在弯腰搬运时，进一步的将运动状态化分为弯腰、弯腰停止、和弯腰起身状态。将人体的弯腰动作划分后，针对不同的运动模式，设计了不同的搬运助力方式，可以实现对弯腰过程的全流程助力。弯腰过程的全流程助力。弯腰过程的全流程助力。

【技术实现步骤摘要】
腰部助力外骨骼及其控制方法


[0001]本专利技术涉及外骨骼装置
，尤其涉及一种基于人体髋关节运动方式的腰部助力外骨骼及其控制方法。

技术介绍

[0002]人们的日常生活中，总会伴随各种各样的搬运动作和搬运的需求，然而人体存在极限的搬运质量，超过该搬运质量后，会加速人体搬运职业病的风险。近年来，我国人体结构总体呈现老龄化趋势，对于工业环境而言，搬运动作往往单一、重复、沉重。因此一些辅助设备常常被提出，用于保护人体搬运时易受损伤的背部肌肉，如外骨骼，机械臂等等。其中外骨骼作为一种穿戴与人体上的可移动式机器人，具有灵活适配人体运动方式的特点，能够增加人体的搬运能力，在必要的时刻给予人体下肢辅助，降低在往复搬运中的职业病风险。
[0003]外骨骼常见于辅助人体下肢行走。例如，CN 109108954 A针对其外骨骼提出了一种控制方案，用于根据人体下肢的运动范围和运动角度，设定了运动区间，辅助人体下肢迈步，对于此方法，通过角度传感装置识别人体下肢步态的运动，但对人体搬运的动作并没有效果，缺失对搬运运动状态的识别。又例如，CN211761672U提出了一种针对搬运重物的外骨骼的辅助方式，对于手部重物较轻的搬运方式，或者人体仅需要弯腰时刻辅助的搬运方式，由于缺乏了对人体实时的运动状态的识别和判断，没有辅助效果，限制了外骨骼系统的应用区间。
[0004]从而，现有的外骨骼辅助设备中，存在如下问题：
[0005]1)、对人体弯腰的运动状态识别准确率低，且容易存在误判，因此外骨骼系统在进行弯腰和搬运重物状态的判断时往往引入其他传感类型的判断，但缺失了对人体无搬运的弯腰或弯腰搬运重物较轻时刻的辅助，对于此类搬运，当人体处于搬运时放置重物的弯腰时，缺乏有效的辅助方式，容易对人体弯腰过程中造成损伤。
[0006]2)、现有的髋关节针对状态判别方式为判别行走状态，而弯腰状态的判别方式没有在髋关节外骨骼设备中出现，对于人体弯腰的运动状态识别缺乏。
[0007]因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种腰部助力外骨骼及其控制方法，以克服现有技术中存在的不足。
[0009]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种腰部助力外骨骼控制方法，其包括如下步骤：
[0010]腰部助力外骨骼中下肢杆件处于直立状态时，进而判断腰部助力外骨骼处于直立状态或者行走状态，控制腰部助力外骨骼跟随人体下肢运动；
[0011]腰部助力外骨骼中下肢杆件处于非直立状态，且超过直立行走的角度运动范围
时，结合根据角度信息和角速度信息识别人体处于弯腰状态，控制腰部助力外骨骼辅助托举人体；
[0012]当判断人体处于弯腰状态后，并超过直立行走的角度运动范围时，根据角度信息和角速度信息识别人体为静止状态，控制腰部助力外骨骼辅助托举人体；
[0013]结合人体起身的角速度信息，判断人体处于起身状态时，辅助外骨骼和人体起身。
[0014]作为本专利技术腰部助力外骨骼控制方法的改进，判断腰部助力外骨骼处于行走状态时：
[0015]力控制τ的计算表达式为：τ＝PD(f)+t
f
+t
e
(1)；
[0016]其中，PD(f)为人体下肢关节与外骨骼在耦合运动下的根据人机交互力力矩和PD控制器计算出的输出力；t
f
为系统的补偿力矩；t
e
为系统的模型力矩。
[0017]作为本专利技术腰部助力外骨骼控制方法的改进，判断腰人体处于直立状态或者行走状态时：若人体运动角度＜驱动关节的随动行走的阈值角度，则人体处于直立或者行走状态。
[0018]作为本专利技术腰部助力外骨骼控制方法的改进，识别人体处于弯腰状态和弯腰后的静止状态时，腰部助力外骨骼的关节输出力矩计算公式为:
[0019]作为本专利技术腰部助力外骨骼控制方法的改进，判断人体处于弯腰状态时：若人体运动角度＞关节角度的斜率，则人体处于弯腰状态。
[0020]作为本专利技术腰部助力外骨骼控制方法的改进，判断人体处于弯腰停止状态时：若人体运动角度的绝对值＜关节角度的斜率，则人体处于弯腰停止状态。
[0021]作为本专利技术腰部助力外骨骼控制方法的改进，识别人体处于起身状态时，腰部助力外骨骼的关节输出力矩计算公式为:τ＝PID(f)，f＝K1(θ
now
‑
θ
base
)。
[0022]作为本专利技术腰部助力外骨骼控制方法的改进，识别人体处于起身状态时：若人体运动角度＜－关节角度的斜率，则人体处于起身状态。
[0023]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种腰部助力外骨骼，其按照如上所述的控制方法进行工作。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术基于人体髋关节运动方式，划分了人体正常的运动区间，结合人体下肢的运动和弯腰的特点，融合步态行走和弯腰搬运助力两种状态，对步态行走和弯腰两种状态进行了准确区分，并实现对人体弯腰搬运的有效辅助，同时不影响人体正常运动。在弯腰搬运时，进一步的将运动状态化分为弯腰、弯腰停止、和弯腰起身状态。将人体的弯腰动作划分后，针对不同的运动模式，设计了不同的搬运助力方式，可以实现对弯腰过程的全流程助力。
附图说明
[0025]图1为为本专利技术腰部助力外骨骼的输出法兰结构示意图。
[0026]其中，上臂杆件通过预紧螺栓与谐波减速机的输出面相连，分别运动至上述位置时，与输出固定法兰上的固定限位相连，并停止运动。在当杆件与下极限限位相差45
°
时，系统被设定为0
°
。上电时，系统会自动寻找此位置。
[0027]图2为结合人体运动角度时的腰部助力外骨骼控制方法的流程图；
[0028]图3左腿输出模组最终检测角度的数据图；
[0029]图4为右腿输出模组最终检测角度的数据图；
[0030]图5为状态识别算法识别最终准确率，其中，0为系统自动识别的直立状态；1为系统自动识别的弯腰状态；2为系统自动识别的弯腰停止状态；3为系统自动识别的弯腰起身状态。
具体实施方式
[0031]下面结合附图所示的各实施方式对本专利技术进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本专利技术的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本专利技术的保护范围之内。
[0032]如图1所示，为本专利技术腰部助力外骨骼的输出法兰结构示意图，用于辅助下肢髋关节的运动，运动范围如图所示，为
‑
45
°
～135
°
。并设置了机械限位,该运动范围符合人体下肢髋关节的正常运动范围，该法兰件与关节模组的谐波减速机输出主轴端相连接，通过预紧螺丝锁紧，在直立时，设定直立角度为0
°
，上臂输出杆件向后摆动时，控制器识别为负角度，上臂输出杆件前向摆动时，控制器识别为正角度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种腰部助力外骨骼控制方法，其特征在于，所述腰部助力外骨骼控制方法包括如下步骤：腰部助力外骨骼中下肢杆件处于直立状态时，进而判断腰部助力外骨骼处于直立状态或者行走状态，控制腰部助力外骨骼跟随人体下肢运动；腰部助力外骨骼中下肢杆件处于非直立状态，且超过直立行走的角度运动范围时，结合根据角度信息和角速度信息识别人体处于弯腰状态，控制腰部助力外骨骼辅助托举人体；当判断人体处于弯腰状态后，并超过直立行走的角度运动范围时，根据角度信息和角速度信息识别人体为静止状态，控制腰部助力外骨骼辅助托举人体；结合人体起身的角速度信息，判断人体处于起身状态时，辅助外骨骼和人体起身。2.根据权利要求1所述的腰部助力外骨骼控制方法，其特征在于，判断腰部助力外骨骼处于行走状态时：力控制的计算表达式为：；其中，为人体下肢关节与外骨骼在耦合运动下的根据人机交互力力矩和PD控制器计算出的输出力；为系统的补偿力矩；为系统的模型力矩。3.根据权利要求1或2所述的腰部助力外骨骼控制方法，其特征在于，判断腰人体处于直立状态或者行走状...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏巍，林西川，查士佳，
申请(专利权)人：迈宝智能科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：