腰部助力外骨骼及其控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113442114A(43)申请公布日2021.09.28(21)申请号202110626775.X(22)申请日2021.06.04(71)申请人迈宝智能科技（苏州）有限公司地址215000江苏省苏州市相城区高铁新城环秀湖大厦(原怡诚园艺)南三楼D306室(72)发明人魏巍林西川查士佳(74)专利代理机构北京科亿知识产权代理事务所(普通合伙)11350代理人汤牡丹(51)Int.Cl.B25J9/00(2006.01)B25J9/16(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图3页(54)发明名称腰部助力外骨骼及其控制方法(57)摘要本发明提供一种腰部助力外骨骼及其控制方法。本发明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。CN113442114ACN113442114A权利要求书1/1页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。4.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，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:。5.根据权利要求1或4所述的腰部助力外骨骼控制方法，其特征在于，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。6.根据权利要求1或4所述的腰部助力外骨骼控制方法，其特征在于，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。7.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，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:，。8.根据权利要求1或7所述的腰部助力外骨骼控制方法，其特征在于，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。9.一种腰部助力外骨骼，其特征在于，所述腰部助力外骨骼按照如权利要求1至8任一项所述的控制方法进行工作。2CN113442114A说明书1/5页腰部助力外骨骼及其控制方法技术领域[0001]本发明涉及外骨骼装置技术领域，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。背景技术[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，CN109108954A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