【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及性能测试，具体是涉及一种髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台及其控制方法。
技术介绍
1、髋关节助力外骨骼是一种目前常用的辅助人体运动的设备，可用于辅助平地行走等运动，尤其针对下肢受损，或者下肢肌肉力量不足的人群。近年来，下肢外骨骼技术逐渐深入，已经出现各种功能的下肢外骨骼助力装置，并在各个领域发挥作用。
2、然而，现有的髋关节助力外骨骼装置仍处于通用设计阶段，存在跟随性差、助力效果不明显等技术问题，舒适感不足，无法满足个性化使用的实际需求。目前市场上尚无一种可用于髋关节助力外骨骼运动跟随与助力性能的测试平台，很难进行外骨骼的优化设计和控制算法的研究。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台及其控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够满足个性化设计、优化外骨骼装置和改进控制算法，更好地服务下肢受损，或者下肢肌肉力量不足的人群。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
3、本专利技术提供了一种髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台，包括外骨骼助力模拟组件和人体关节模拟组件，所述外骨骼助力模拟组件包括背部连接元件和两个关节驱动元件，两个所述关节驱动元件分别安装于所述背部连接元件两端；所述人体关节模拟组件包括控制器箱、关节模拟电机、大腿模拟元件和平台框架，所述控制器箱安装于所述平台框架上，且所述背部连接元件活动安装于所述控制器箱的背板上，两个所述关节模拟电机对称安装于所述控制器箱的两内侧壁上，
4、优选的，所述背部连接元件包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述控制器箱的背板上设有沿z向延伸的长条孔，通过螺栓穿过所述第三连接件中部并拧紧于控制器箱背板上的长条孔处实现所述第三连接件与所述控制器箱的连接；所述第二连接件的一端通过螺栓连接于所述第三连接件上的端部，且所述第三连接件的两端各安装有一所述第二连接件；各所述第二连接件上远离所述第三连接件的一端均设有沿y向延伸的长条孔，通过螺栓穿过所述第一连接件和所述第二连接件上的所述长条孔，实现所述第一连接件和所述第二连接件的连接，各所述第一连接件处均连接一所述关节驱动元件。
5、优选的，所述关节驱动元件包括外骨骼助力电机、第四连接件、第五连接件、第六连接件和腿部紧固板，所述第四连接件的上端设有延伸部，所述延伸部和所述第一连接件通过螺栓连接，所述外骨骼助力电机通过所述支座支撑，且所述支座能够在所述平台框架上沿y向移动，所述平台框架能够在z向伸缩，所述外骨骼助力电机通过螺栓安装于所述第四连接件的一侧，且所述外骨骼助力电机的输出轴穿过所述第四连接件并与所述第五连接件的上端通过螺栓连接，所述第五连接件的下端通过螺栓连接所述第六连接件的上端，所述第六连接件的下部通过螺栓连接所述腿部紧固板，所述腿部紧固板与所述大腿模拟元件的下部连接。
6、优选的，所述腿部紧固板为弧形，且所述腿部紧固板的弧形内侧能够与所述大腿模拟元件的外壁贴合，用于连接所述腿部紧固板与所述第六连接件的螺钉为沉头螺钉；所述腿部紧固板两侧设有通槽，通过绑带穿过两个所述通槽并与所述大腿模拟元件的下部绑缚，实现所述腿部紧固板和所述大腿模拟元件的连接。
7、优选的，所述控制器箱与所述平台框架之间通过角件连接，且所述控制器箱的两侧板分别与两个所述关节模拟电机的外壳通过螺栓连接；所述关节模拟电机的输出轴处安装有法兰，所述法兰的输出端与所述大腿模拟元件的上端连接。
8、优选的，所述大腿模拟元件包括大腿连接杆和机械大腿，所述大腿连接杆的上端与所述法兰的输出端连接，所述大腿连接杆的下端与所述机械大腿的上端通过螺栓连接，所述机械大腿内部空心并用于填充配重物。
9、本专利技术还提供一种髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台控制方法，所述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台控制方法应用于上述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台，所述髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台控制方法包括：
10、获取在平地行走状态下使用者的髋关节角度轨迹、角速度轨迹和角加速度轨迹；
11、根据所述使用者的髋关节角度轨迹、角速度轨迹和角加速度轨迹，确定关节模拟电机的扭矩，以带动所述大腿模拟元件运动；
12、通过惯性传感器进行所述髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台的测试数据采集，获取所述大腿模拟元件的运动数据与交互力数据；所述运动数据包括所述大腿模拟元件当前左侧髋关节的转动角度轨迹、转动角速度轨迹、转动角加速度轨迹以及当前右侧髋关节的转动角度轨迹、转动角速度轨迹、转动角加速度轨迹，所述交互力数据包括大腿模拟元件与左侧绑带前后间的交互力和右侧绑带与所述大腿模拟元件前后间的交互力；
13、根据所述大腿模拟元件的运动数据，利用姿态解算函数对所述大腿模拟元件的运动数据进行姿态解算，得到解算后的大腿模拟元件的运动数据，根据解算后的所述大腿模拟元件的运动数据，利用屈伸角度预测模型，确定髋关节屈伸角度；其中，所述屈伸角度预测模型是利用训练数据集对多元线性回归模型进行训练得到的；所述训练数据集包括训练用人体外骨骼系统的运动数据和对应的髋关节屈伸角度；
14、根据所述髋关节屈伸角度，利用助力力矩函数，生成助力力矩；
15、根据所述助力力矩和所述髋关节屈伸角度，驱动所述外骨骼助力电机，以辅助所述大腿模拟元件运动。
16、优选的，根据所述大腿模拟元件的运动数据，利用屈伸角度预测模型，确定髋关节屈伸角度，具体包括：
17、利用姿态解算函数对所述大腿模拟元件的运动数据进行姿态解算，得到解算后的大腿模拟元件的运动数据；
18、根据所述解算后的大腿模拟元件的运动数据，利用屈伸角度预测模型，确定髋关节屈伸角度。
19、优选的，所述姿态解算函数为：
20、；
21、其中，为腰部惯性传感器处的人体坐标系b与大腿惯性传感器处的人体坐标系c间的旋转矩阵；为惯性传感器中z轴欧拉角；为惯性传感器中y轴欧拉角；为惯性传感器中x轴欧拉角；为绕z轴旋转；为绕y轴旋转；为绕x轴旋转；为在人体坐标系b中的向量表达，p0为世界坐标系中z轴的方向上分量为-1的向量，；为在人体坐标系b中的向量表达，p2为人体坐标系c中y轴的方向上分量为-1的向量，；为人体坐标系b在世界坐标系中的表达；为人体坐标系c在世界坐标系中的表达；c1为人体坐标系b中y轴的方向上分量为-1的向量，；c2为人体坐标系b中z轴的方向上分量为-1的向量，；为解算后的左/右侧髋关节的转动角度轨迹；为人体外骨骼系统当前左/右侧髋关节的转动角速度轨迹；为解算后的左/右侧髋关节的转动角速度轨迹；为人体外骨骼系统当前左/右侧髋关节的转动角加速度轨迹；为解算后的左/右侧髋关节的转动角加速度本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台，其特征在于：包括外骨骼助力模拟组件和人体关节模拟组件，所述外骨骼助力模拟组件包括背部连接元件和两个关节驱动元件，两个所述关节驱动元件分别安装于所述背部连接元件两端；所述人体关节模拟组件包括控制器箱、关节模拟电机、大腿模拟元件和平台框架，所述控制器箱安装于所述平台框架上，且所述背部连接元件活动安装于所述控制器箱的背板上，两个所述关节模拟电机对称安装于所述控制器箱的两内侧壁上，且各所述关节模拟电机均对应连接一所述大腿模拟元件上端，两个所述关节驱动元件分别位于所述控制器箱的两侧，且所述平台框架上活动安装有用于承托所述关节驱动元件的支座，所述关节驱动元件的输出端与所述大腿模拟元件连接。
2.根据权利要求1所述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台，其特征在于：所述背部连接元件包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述控制器箱的背板上设有沿Z向延伸的长条孔，通过螺栓穿过所述第三连接件中部并拧紧于控制器箱背板上的长条孔处实现所述第三连接件与所述控制器箱的连接；所述第二连接件的一端通过螺栓连接于所述第三连接件上的端部，且所述第三连接件的两
3.根据权利要求2所述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台，其特征在于：所述关节驱动元件包括外骨骼助力电机、第四连接件、第五连接件、第六连接件和腿部紧固板，所述第四连接件的上端设有延伸部，所述延伸部和所述第一连接件通过螺栓连接，所述外骨骼助力电机通过所述支座支撑，且所述支座能够在所述平台框架上沿Y向移动，所述平台框架能够在Z向伸缩，所述外骨骼助力电机通过螺栓安装于所述第四连接件的一侧，且所述外骨骼助力电机的输出轴穿过所述第四连接件并与所述第五连接件的上端通过螺栓连接，所述第五连接件的下端通过螺栓连接所述第六连接件的上端，所述第六连接件的下部通过螺栓连接所述腿部紧固板，所述腿部紧固板与所述大腿模拟元件的下部连接。
4.根据权利要求3所述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台，其特征在于：所述腿部紧固板为弧形，且所述腿部紧固板的弧形内侧能够与所述大腿模拟元件的外壁贴合，用于连接所述腿部紧固板与所述第六连接件的螺钉为沉头螺钉；所述腿部紧固板两侧设有通槽，通过绑带穿过两个所述通槽并与所述大腿模拟元件的下部绑缚，实现所述腿部紧固板和所述大腿模拟元件的连接。
5.根据权利要求1所述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台，其特征在于：所述控制器箱与所述平台框架之间通过角件连接，且所述控制器箱的两侧板分别与两个所述关节模拟电机的外壳通过螺栓连接；所述关节模拟电机的输出轴处安装有法兰，所述法兰的输出端与所述大腿模拟元件的上端连接。
6.根据权利要求5所述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台，其特征在于：所述大腿模拟元件包括大腿连接杆和机械大腿，所述大腿连接杆的上端与所述法兰的输出端连接，所述大腿连接杆的下端与所述机械大腿的上端通过螺栓连接，所述机械大腿内部空心并用于填充配重物。
7.一种髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台控制方法，其特征在于：所述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台控制方法应用于权利要求1-6中任一项所述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台，所述髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台控制方法包括：
8.根据权利要求7所述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台控制方法，其特征在于：根据所述大腿模拟元件的运动数据，利用屈伸角度预测模型，确定髋关节屈伸角度，具体包括：
9.根据权利要求8所述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台控制方法，其特征在于，所述姿态解算函数为：
10.根据权利要求7所述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台控制方法，其特征在于，所述助力力矩函数为：
...【技术特征摘要】
1.一种髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台，其特征在于：包括外骨骼助力模拟组件和人体关节模拟组件，所述外骨骼助力模拟组件包括背部连接元件和两个关节驱动元件，两个所述关节驱动元件分别安装于所述背部连接元件两端；所述人体关节模拟组件包括控制器箱、关节模拟电机、大腿模拟元件和平台框架，所述控制器箱安装于所述平台框架上，且所述背部连接元件活动安装于所述控制器箱的背板上，两个所述关节模拟电机对称安装于所述控制器箱的两内侧壁上，且各所述关节模拟电机均对应连接一所述大腿模拟元件上端，两个所述关节驱动元件分别位于所述控制器箱的两侧，且所述平台框架上活动安装有用于承托所述关节驱动元件的支座，所述关节驱动元件的输出端与所述大腿模拟元件连接。
2.根据权利要求1所述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台，其特征在于：所述背部连接元件包括第一连接件、第二连接件和第三连接件，所述控制器箱的背板上设有沿z向延伸的长条孔，通过螺栓穿过所述第三连接件中部并拧紧于控制器箱背板上的长条孔处实现所述第三连接件与所述控制器箱的连接；所述第二连接件的一端通过螺栓连接于所述第三连接件上的端部，且所述第三连接件的两端各安装有一所述第二连接件；各所述第二连接件上远离所述第三连接件的一端均设有沿y向延伸的长条孔，通过螺栓穿过所述第一连接件和所述第二连接件上的所述长条孔，实现所述第一连接件和所述第二连接件的连接，各所述第一连接件处均连接一所述关节驱动元件。
3.根据权利要求2所述的髋关节助力外骨骼的助力性能试验平台，其特征在于：所述关节驱动元件包括外骨骼助力电机、第四连接件、第五连接件、第六连接件和腿部紧固板，所述第四连接件的上端设有延伸部，所述延伸部和所述第一连接件通过螺栓连接，所述外骨骼助力电机通过所述支座支撑，且所述支座能够在所述平台框架上沿y向移动，所述平台框架能够在z向伸缩，所述外骨骼助力电机通过螺栓安装于所述第四连接件的一侧，且所述外骨骼助力电机的输出轴穿过所述第四连接件并与所述第五连接件的上端通过...
【专利技术属性】
技术研发人员：颜兵兵，刘威，陈光，孟琦，李树民，王璐，宋佳宝，常江，殷宝麟，马常友，
申请(专利权)人：佳木斯大学，
类型：发明
国别省市：
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