CN105213156B - 一种动力外骨骼及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力外骨骼及其控制方法，所述动力外骨骼包括第一连接部件、第二连接部件、第一关节部件、第二关节部件、第一固定结构、第二固定结构、第三固定结构、第一传感器以及第一控制器。本发明获取使用者的手臂的运动状态参数，根据所述运动状态参数控制第一连接部件和第二连接部件动作，从而实现运动控制，使得使用者能够自然方便的对自身的步速和步伐进行调控。本发明提供的技术方案结构简单，对使用者的操作能力要求较低，操作灵活性较高。另外，本发明提供的技术方案可以适用于下肢完全失去行动功能的使用者，只要求使用者的手臂功能正常，因此具有较宽的适用范围。

Description

一种动力外骨骼及其控制方法
技术领域
本发明涉及人工智能技术领域，尤其涉及一种动力外骨骼及其控制方法。
背景技术
动力外骨骼是一种能够增强人体体能的可穿戴机器，可以通过液压系统或者气压系统进行驱动。动力外骨骼用于扩充或者增强人体的生理机能，主要提高人体四肢运动的能力，特别是力量和耐力。它能够帮助人们跑得更快、跳得更高、能够携带更多更重的东西，并且帮助穿戴它的人们在战场、建筑工地或者其它危险地方生存下来。动力外骨骼具有两大方面的应用，一个是军用，士兵穿戴外骨骼能够负载更沉重的武器装备，也使其能够长时间的负载行走，从而提高士兵的作战能力。另一个是民用，特别用于残疾人或者老年人，帮助其拥有正常甚至超常的生理机能，特别是行走的能力。然而，现有的动力外骨骼结构复杂，对使用者的操作能力要求较高，导致现有的动力外骨骼的操作笨拙，适应范围较窄。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种动力外骨骼及其控制方法，用于解决现有技术中动力外骨骼结构复杂，对使用者的操作能力要求较高，导致现有的动力外骨骼的操作笨拙，适应范围较窄的问题。
为此，本发明提供一种动力外骨骼，包括第一连接部件、第二连接部件、第一关节部件、第二关节部件、第一固定结构、第二固定结构、第三固定结构、第一传感器以及第一控制器，所述第一连接部件与所述第二连接部件通过所述第二关节部件连接，所述第一固定结构与所述第一连接部件通过第一关节部件连接，所述第二固定结构与所述第一连接部件连接，所述第三固定结构与所述第二连接部件连接；
所述第一固定结构用于固定在使用者的腰部，以将所述第一关节部件固定于使用者的腰部；
所述第二固定结构用于固定在使用者的大腿，以将所述第一连接部件固定于使用者的大腿；
所述第三固定结构用于固定在使用者的小腿，以将所述第二连接部件固定于使用者的小腿；
所述第一传感器用于获取使用者的手臂的运动状态参数；
所述第一控制器用于根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以带动大腿和小腿动作。
可选的，所述运动状态参数包括手臂的摆动幅度以及大臂与小臂之间的肘关节角度。
可选的，所述运动状态参数还包括手臂的摆动频率。
可选的，所述第一连接部件包括大腿连接杆，所述第二连接部件包括小腿连接杆。
可选的，所述第一关节部件包括第一驱动器和髋关节，所述第二关节部件包括第二驱动器和膝关节。
可选的，还包括脚支撑部件、第三关节部件和第四固定结构，所述脚支撑部件与所述第二连接部件通过所述第三关节部件连接，所述第四固定结构与所述脚支撑部件连接；
所述第四固定结构用于固定在使用者的脚部，以将所述脚支撑部件固定于使用者的脚部；
所述第一控制器用于根据所述运动状态参数控制所述脚支撑部件动作，以带动脚部动作。
可选的，所述第三关节部件包括第三驱动器和踝关节。
可选的，所述第一传感器包括加速度测量器、数据处理器和角度测量器；
所述加速度测量器用于测量大臂与人体中心轴之间的角加速度；
所述数据处理器用于根据所述角加速度计算手臂的摆动幅度和摆动频率；
所述角度测量器用于测量大臂与小臂之间的肘关节角度。
可选的，所述第一传感器设置在使用者的肘关节。
本发明还提供一种动力外骨骼的控制方法，所述动力外骨骼包括第一连接部件、第二连接部件、第一关节部件、第二关节部件、第一固定结构、第二固定结构、第三固定结构以及第一传感器，所述第一连接部件与所述第二连接部件通过所述第二关节部件连接，所述第一固定结构与所述第一连接部件通过第一关节部件连接，所述第二固定结构与所述第一连接部件连接，所述第三固定结构与所述第二连接部件连接；
所述第一固定结构用于固定在使用者的腰部，以将所述第一关节部件固定于使用者的腰部；
所述第二固定结构用于固定在使用者的大腿，以将所述第一连接部件固定于使用者的大腿；
所述第三固定结构用于固定在使用者的小腿，以将所述第二连接部件固定于使用者的小腿；
所述控制方法包括：
所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数；
所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以带动大腿和小腿动作。
可选的，使用者的手臂处于周期运动状态，所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作的步骤包括：
所述第一控制器根据使用者的手臂在至少一个运动周期之后的运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使大腿和小腿的动作相对于手臂的动作延迟至少一个运动周期。
可选的，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤之前包括：
使用者的手臂在预定时间之内保持自然下垂，以初始化动力外骨骼。
可选的，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤包括：
所述第一传感器获取手臂的摆动幅度以及大臂与小臂之间的肘关节角度；
所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作的步骤包括：
判断所述摆动幅度是否大于第一预定阈值；
若所述摆动幅度大于第一预定阈值，判断所述肘关节角度是否大于第二预定阈值；
若所述肘关节角度小于第二预定阈值，所述第一控制器控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于行走模式；
若所述肘关节角度大于第二预定阈值，所述第一控制器控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于跑步模式。
可选的，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤包括：
所述第一传感器获取左手手臂的第一摆动幅度、右手手臂的第二摆动幅度以及大臂与小臂之间的肘关节角度；
所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作的步骤包括：
判断所述第一摆动幅度是否大于第一预定阈值、所述第二摆动幅度是否大于第一预定阈值以及双臂协调度是否小于第三预定阈值，所述双臂协调度为所述第一摆动幅度与所述第二摆动幅度之差的绝对值；
若所述第一摆动幅度大于第一预定阈值、所述第二摆动幅度大于第一预定阈值以及双臂协调度小于第三预定阈值，判断所述肘关节角度是否大于第二预定阈值；
若所述肘关节角度小于第二预定阈值，所述第一控制器控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于行走模式；
若所述肘关节角度大于第二预定阈值，所述第一控制器控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于跑步模式。
可选的，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤包括：
所述第一传感器获取左手手臂的第i-1个运动周期的第一摆动幅度αL(i-1)和右手手臂的第i-1个运动周期的第二摆动幅度αR(i-1)；
所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作的步骤包括：
所述第一控制器根据所述第一摆动幅度αL(i-1)和所述第二摆动幅度αR(i-1)控制第i个运动周期的下肢的步长为：
STEPαi＝Kαi*STEPαM，其中比例系数Kαi＝(αL(i-1)+αR(i-1))/(2αM)，αM为预定的上肢最大摆动幅度，STEPαM为预定的下肢最大步长，当获得的比例系数Kαi大于1时，设置所述比例系数Kαi等于1，以使所述比例系数Kαi不大于1。
可选的，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤包括：
所述第一传感器获取左手手臂的第i-1个运动周期的第一摆动频率γL(i-1)和右手手臂的第i-1个运动周期的第二摆动频率γR(i-1)；
所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作的步骤包括：
所述第一控制器根据所述第一摆动频率γL(i-1)和所述第二摆动频率γR(i-1)控制第i个运动周期的下肢的频率为：
STEPγi＝Kγi*STEPγM，其中比例系数Kγi＝(γL(i-1)+γR(i-1))/(2γM)，γM为预定的上肢最大摆动频率，STEPγM为预定的下肢最大频率，当获得的比例系数Kγi大于1时，设置所述比例系数Kγi等于1，以使所述比例系数Kγi不大于1。
可选的，所述动力外骨骼还包括脚支撑部件、第三关节部件和第四固定结构，所述脚支撑部件与所述第二连接部件通过所述第三关节部件连接，所述第四固定结构与所述脚支撑部件连接；
所述第四固定结构用于固定在使用者的脚部，以将所述脚支撑部件固定于使用者的脚部；
所述控制方法还包括：
所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述脚支撑部件动作，以带动脚部动作。
可选的，所述第一传感器包括加速度测量器、数据处理器和角度测量器；
所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤包括：
所述加速度测量器测量大臂与人体中心轴之间的角加速度；
所述数据处理器根据所述角加速度计算手臂的摆动幅度和摆动频率；
所述角度测量器测量大臂与小臂之间的肘关节角度。
本发明具有下述有益效果：
本发明提供的动力外骨骼及其控制方法中，所述动力外骨骼包括第一连接部件、第二连接部件、第一关节部件、第二关节部件、第一固定结构、第二固定结构、第三固定结构、第一传感器以及第一控制器，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数，所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，从而带动大腿和小腿动作。本发明获取使用者的手臂的运动状态参数，根据所述运动状态参数控制第一连接部件和第二连接部件动作，从而实现运动控制，使得使用者能够自然方便的对自身的步速和步伐进行调控。本发明提供的技术方案结构简单，对使用者的操作能力要求较低，操作灵活性较高。另外，本发明提供的技术方案可以适用于下肢完全失去行动功能的使用者，只要求使用者的手臂功能正常，因此具有较宽的适用范围。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种动力外骨骼的结构示意图；
图2为实施例一中动力外骨骼的一种行走状态图；
图3为实施例一中动力外骨骼的另一种行走状态图；
图4为实施例一中动力外骨骼的摆动幅度示意图；
图5为实施例一中动力外骨骼的肘关节角度示意图；
图6为本发明实施例二提供的一种动力外骨骼的控制方法的流程图；
图7为实施例二中左臂和右臂的第一角度示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的动力外骨骼及其控制方法进行详细描述。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种动力外骨骼的结构示意图。如图1所示，所述动力外骨骼包括第一连接部件3、第二连接部件5、第一关节部件2、第二关节部件4、第一固定结构6、第二固定结构7、第三固定结构8、第一传感器1以及第一控制器9。所述第一连接部件3与所述第二连接部件5通过所述第二关节部件4连接，所述第一固定结构6与所述第一连接部件3通过第一关节部件2连接，所述第二固定结构7与所述第一连接部件3连接，所述第三固定结构8与所述第二连接部件5连接。可选的，所述第一传感器1设置在使用者的肘关节，所述第一控制器9为无线手持设备。
所述第一固定结构6固定在使用者的腰部，以将所述第一关节部件2固定于使用者的腰部，所述第二固定结构7固定在使用者的大腿，以将所述第一连接部件3固定于使用者的大腿，所述第三固定结构8固定在使用者的小腿，以将所述第二连接部件5固定于使用者的小腿。可选的，所述固定结构为绑带。当然，所述固定结构也可以为其他固定成型、符合人体工学的结构，例如，金属或者塑料卡扣。本实施例通过绑带将第一关节部件2、第一连接部件3以及第二连接部件5固定在使用者身体的相应部位。
所述第一传感器1用于获取使用者的手臂的运动状态参数，所述第一控制器9用于根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件2和所述第二连接部件4动作，以带动大腿和小腿动作。另外，所述第一控制器还用于控制所述动力外骨骼开启和停止。
优选的，所述动力外骨骼还包括脚支撑部件、第三关节部件和第四固定结构，所述脚支撑部件与所述第二连接部件通过所述第三关节部件连接，所述第四固定结构与所述脚支撑部件连接。所述第四固定结构用于固定在使用者的脚部，以将所述脚支撑部件固定于使用者的脚部，所述第一控制器用于根据所述运动状态参数控制所述脚支撑部件动作，以带动脚部动作。在实际应用中，也可以通过绑带将脚支撑部件固定在使用者的脚部。当然，将脚支撑部件固定在使用者脚部的固定结构也可以为其他固定成型、符合人体工学的结构，例如，金属或者塑料卡扣。
本实施例中，所述第一连接部件3包括大腿连接杆，所述第二连接部件5包括小腿连接杆。所述第一关节部件2包括第一驱动器和髋关节，所述第二关节部件4包括第二驱动器和膝关节。所述第三关节部件包括第三驱动器和踝关节。
图2为实施例一中动力外骨骼的一种行走状态图，图3为实施例一中动力外骨骼的另一种行走状态图。如图2和图3所示，在行走模式下，动力外骨骼根据预先设定的人类行走步态周期进行动作，例如，第一驱动器向前转动使大腿抬起，第二驱动器向后转动使小腿垂向地面，第三驱动器转动使脚底从脚尖接触地面转向脚掌完全接触地面，或者使脚跟离开地面到脚底完全离开地面。
本实施例中，所述运动状态参数包括手臂的摆动幅度以及大臂与小臂之间的肘关节角度。可选的，所述运动状态参数还包括手臂的摆动频率。图4为实施例一中动力外骨骼的摆动幅度示意图。如图4所示，动力外骨骼的摆动幅度表示为第一角度α，所述第一角度α为手臂向前或向后摆动时，大臂与人体中心轴之间形成的角度。图5为实施例一中动力外骨骼的肘关节角度示意图。如图5所示，动力外骨骼的肘关节角度表示为第二角度β，所述第二角度β为肘关节弯曲时，大臂与小臂之间的角度。
优选的，所述第一传感器包括加速度测量器、角度测量器，数据处理器。所述加速度测量器测量大臂与人体中心轴之间的角加速度，所述数据处理器根据所述角加速度计算手臂的摆动幅度和摆动频率，所述角度测量器测量大臂与小臂之间的肘关节角度。所述第一传感器1固定在人体左右两侧的肘关节，所述加速度测量器可以为加速度计或者陀螺仪，所述角度测量器可以为张力测量器，所述张力测量器测量大臂与小臂之间的角度。当肘关节弯曲时产生的张力的大小反应了肘关节的弯曲程度，所述弯曲程度即为肘关节角度。可选的，所述第一传感器还包括无线模块，所述无线模块用于向所述第一控制器传输测量信息，所述测量信息包括摆动幅度、摆动频率以及肘关节角度。
本实施例提供的动力外骨骼包括第一连接部件、第二连接部件、第一关节部件、第二关节部件、第一固定结构、第二固定结构、第三固定结构、第一传感器以及第一控制器，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数，所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，从而带动大腿和小腿动作。本实施例获取使用者的手臂的运动状态参数，根据所述运动状态参数控制第一连接部件和第二连接部件动作，从而实现运动控制，使得使用者能够自然方便的对自身的步速和步伐进行调控。本实施例提供的技术方案结构简单，对使用者的操作能力要求较低，操作灵活性较高。另外，本实施例提供的技术方案可以适用于下肢完全失去行动功能的使用者，只要求使用者的手臂功能正常，因此具有较宽的适用范围。
实施例二
图6为本发明实施例二提供的一种动力外骨骼的控制方法的流程图。如图6所示，所述动力外骨骼包括第一连接部件、第二连接部件、第一关节部件、第二关节部件、第一固定结构、第二固定结构、第三固定结构以及第一传感器。所述第一连接部件与所述第二连接部件通过所述第二关节部件连接，所述第一固定结构与所述第一连接部件通过第一关节部件连接，所述第二固定结构与所述第一连接部件连接，所述第三固定结构与所述第二连接部件连接。
所述第一固定结构固定在使用者的腰部，以将所述第一关节部件固定于使用者的腰部，所述第二固定结构固定在使用者的大腿，以将所述第一连接部件固定于使用者的大腿，所述第三固定结构固定在使用者的小腿，以将所述第二连接部件固定于使用者的小腿。可选的，所述固定结构为绑带。当然，所述固定结构也可以为其他固定成型、符合人体工学的结构，例如，金属或者塑料卡扣。本实施例通过绑带将第一关节部件、第一连接部件以及第二连接部件固定在使用者身体的相应部位。
所述动力外骨骼的控制方法包括：
步骤1001、所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数。
本实施例中，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤之前包括：使用者的手臂在预定时间之内保持自然下垂，以初始化动力外骨骼。本实施例提供的第一控制器还可以用于控制所述动力外骨骼开启和停止。穿戴动力外骨骼的使用者在开始动作之前，通过第一控制器启动动力外骨骼，同时保持双臂自然下垂的状态至少1秒钟以上，以保证正常启动。
步骤1002、所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以带动大腿和小腿动作。
本实施例中，所述第一传感器包括加速度测量器、数据处理器和角度测量器，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤包括：所述加速度测量器测量大臂与人体中心轴之间的角加速度，所述数据处理器根据所述角加速度计算手臂的摆动幅度和摆动频率，所述角度测量器测量大臂与小臂之间的肘关节角度。所述第一传感器固定在人体左右两侧的肘关节，所述加速度测量器可以为加速度计或者陀螺仪，所述角度测量器可以为张力测量器，所述张力测量器测量大臂与小臂之间的角度。当肘关节弯曲时产生的张力的大小反应了肘关节的弯曲程度，所述弯曲程度即为肘关节角度。可选的，所述第一传感器还包括无线模块，所述无线模块用于向所述第一控制器传输测量信息，所述测量信息包括摆动幅度、摆动频率以及肘关节角度。
参见图4，动力外骨骼的摆动幅度表示为第一角度α，所述第一角度α为手臂向前或向后摆动时，大臂与人体中心轴之间形成的角度。参见图5，动力外骨骼的肘关节角度表示为第二角度β，所述第二角度β为肘关节弯曲时，大臂与小臂之间的角度。
图7为实施例二中左臂和右臂的第一角度示意图。如图7所示，实线表示左臂的运动，左臂先向前摆动，再向后摆动，虚线表示右臂的运动，右臂先向后摆动，再向前摆动。具体来说，所述第一传感器获取大臂与人体中心轴之间的角加速度，再通过对时间的积分可以获得角度与时间的关系。在双臂摆动的一个周期之内，向前摆动的幅度大于向后摆动的幅度，通过数据处理可以获得相应的平滑曲线，其中在向前摆动的过程中，左臂的摆动幅度为αLi，右臂的摆动幅度为αRi，i表示周期数。
本实施例中，所述使用者的手臂处于周期运动状态，所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作的步骤包括：所述第一控制器根据使用者的手臂在至少一个运动周期之后的运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使大腿和小腿的动作相对于手臂的动作延迟至少一个运动周期。在行走过程中，下肢的运动时间相对于上肢滞后一个循环周期。具体来说，当i等于0时，上肢运动以启动所述动力外骨骼，此时下肢保持不动。当下肢开始运动时，下肢运动的第i个循环周期的运动状态参数由上肢运动的第i-1个循环周期的运动状态参数决定，以使大腿和小腿的动作相对于手臂的动作延迟至少一个运动周期，从而增强安全性能。
本实施例中，所述动力外骨骼还包括脚支撑部件、第三关节部件和第四固定结构，所述脚支撑部件与所述第二连接部件通过所述第三关节部件连接，所述第四固定结构与所述脚支撑部件连接，所述第四固定结构固定在使用者的脚部，以将所述脚支撑部件固定于使用者的脚部。所述控制方法还包括：所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述脚支撑部件动作，以带动脚部动作。在实际应用中，也可以通过绑带将脚支撑部件固定在使用者的脚部。当然，将脚支撑部件固定在使用者脚部的固定结构也可以为其他固定成型、符合人体工学的结构，例如，金属或者塑料卡扣。
优选的，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤包括：所述第一传感器获取手臂的摆动幅度以及大臂与小臂之间的肘关节角度。所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作的步骤包括：判断所述摆动幅度是否大于第一预定阈值，若所述摆动幅度大于第一预定阈值，判断所述肘关节角度是否大于第二预定阈值，若所述肘关节角度小于第二预定阈值，所述第一控制器控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于行走模式，若所述肘关节角度大于第二预定阈值，所述第一控制器控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于跑步模式。
在实际应用中，所述动力外骨骼启动之前，如果检测到α0>αS，所述动力外骨骼启动，同时判断肘关节角度是否大于第二预定阈值，其中α0为动力外骨骼启动之前手臂的摆动幅度，αS为第一预定阈值。如果检测到α0<αS，所述动力外骨骼不启动，其中α0为动力外骨骼启动之前手臂的摆动幅度，αS为第一预定阈值。
优选的，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤包括：所述第一传感器获取左手手臂的第一摆动幅度、右手手臂的第二摆动幅度以及大臂与小臂之间的肘关节角度，所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作的步骤包括：判断所述第一摆动幅度是否大于第一预定阈值、所述第二摆动幅度是否大于第一预定阈值以及双臂协调度是否小于第三预定阈值，所述双臂协调度为所述第一摆动幅度与所述第二摆动幅度之差的绝对值，若所述第一摆动幅度大于第一预定阈值、所述第二摆动幅度大于第一预定阈值以及双臂协调度小于第三预定阈值，判断所述肘关节角度是否大于第二预定阈值，若所述肘关节角度小于第二预定阈值，所述第一控制器控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于行走模式，若所述肘关节角度大于第二预定阈值，所述第一控制器控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于跑步模式。
在实际应用中，所述动力外骨骼启动之前，要求|αL0-αR0|<αsf、αL0>αS以及αR0>αS，其中αL0为动力外骨骼启动之前左臂的摆动幅度，αR0为动力外骨骼启动之前右臂的摆动幅度，|αL0-αR0|为双臂协调度，αsf为第三预定阈值，αS为第一预定阈值，所述第三预定阈值为安全阈值，所述安全阈值越小，所述动力外骨骼越难动作。当左右两臂的摆动幅度相当时，所述动力外骨骼开始动作。当双臂协调度为零时，表示双臂的摆动幅度完全一致。
可选的，所述动力外骨骼在行走过程中，第i个运动周期的下肢的步长STEPαi＝Kαi*STEPαM，其中比例系数Kαi＝(αL(i-1)+αR(i-1))/(2αM)，αL(i-1)为左手手臂的第i-1个运动周期的第一摆动幅度，αR(i-1)为右手手臂的第i-1个运动周期的第二摆动幅度，αM为预定的上肢最大摆动幅度，STEPαM为预定的下肢最大步长，当获得的比例系数Kαi大于1时，设置所述比例系数Kαi等于1，以使所述比例系数Kαi不大于1。
可选的，所述动力外骨骼在行走过程中，第i个运动周期的下肢的频率STEPγi＝Kγi*STEPγM，其中比例系数Kγi＝(γL(i-1)+γR(i-1))/(2γM)，γL(i-1)为左手手臂的第i-1个运动周期的第一摆动频率，γR(i-1)为右手手臂的第i-1个运动周期的第二摆动频率，γM为预定的上肢最大摆动频率，STEPγM为预定的下肢最大频率，当获得的比例系数Kγi大于1时，设置所述比例系数Kγi等于1，以使所述比例系数Kγi不大于1。
所述动力外骨骼启动时，如果检测到βi<βs，所述动力外骨骼进入行走模式，其中βi表示第i次运动周期之内大臂与小臂之间的肘关节角度，βs为第二预定阈值。如果检测到βi>βs，所述动力外骨骼进入跑步模式，其中βi表示第i次运动周期之内大臂与小臂之间的肘关节角度，βs为第二预定阈值。大臂与小臂之间的肘关节角度的测量可以通过角度测量器来实现，所述角度测量器测量大臂相对于人体轴线的角度变化，再测量小臂相对于人体轴线的角度变化，二者之间的差值即为大臂与小臂之间的肘关节角度。
在行走模式下，所述动力外骨骼根据预先设定的人类行走步态周期进行动作，例如，第一驱动器向前转动使大腿抬起，第二驱动器向后转动使小腿垂向地面，第三驱动器转动使脚底从脚尖接触地面转向脚掌完全接触地面，或者使脚跟离开地面到脚底完全离开地面。
在跑步模式下，所述动力外骨骼预先设定的各个关节的驱动器的转动角度和角速度都大于行走模式。跑步模式区别于行走模式的地方在于，跑步模式的摆动幅度和摆动频率都较大，脚掌不完全接触地面，具有腾空时间。出于安全考虑，上述两种模式都设有相应的最大阈值，超过最大阈值的摆动幅度和摆动频率都以最大阈值下的摆动幅度和摆动频率进行。由运动状态进入停止状态时，无论动力外骨骼当前处于什么状态，都立刻恢复到双腿正常站立的状态。
本实施例提供的动力外骨骼的控制方法中，所述动力外骨骼包括第一连接部件、第二连接部件、第一关节部件、第二关节部件、第一固定结构、第二固定结构、第三固定结构、第一传感器以及第一控制器，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数，所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，从而带动大腿和小腿动作。本实施例获取使用者的手臂的运动状态参数，根据所述运动状态参数控制第一连接部件和第二连接部件动作，从而实现运动控制，使得使用者能够自然方便的对自身的步速和步伐进行调控。本实施例提供的技术方案结构简单，对使用者的操作能力要求较低，操作灵活性较高。另外，本实施例提供的技术方案可以适用于下肢完全失去行动功能的使用者，只要求使用者的手臂功能正常，因此具有较宽的适用范围。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种动力外骨骼，其特征在于，包括第一连接部件、第二连接部件、第一关节部件、第二关节部件、第一固定结构、第二固定结构、第三固定结构、第一传感器以及第一控制器，所述第一连接部件与所述第二连接部件通过所述第二关节部件连接，所述第一固定结构与所述第一连接部件通过第一关节部件连接，所述第二固定结构与所述第一连接部件连接，所述第三固定结构与所述第二连接部件连接；
所述第一固定结构用于固定在使用者的腰部，以将所述第一关节部件固定于使用者的腰部；
所述第二固定结构用于固定在使用者的大腿，以将所述第一连接部件固定于使用者的大腿；
所述第三固定结构用于固定在使用者的小腿，以将所述第二连接部件固定于使用者的小腿；
所述第一传感器用于获取使用者的手臂的运动状态参数，所述运动状态参数包括手臂的摆动频率、手臂的摆动幅度以及大臂与小臂之间的肘关节角度；
所述第一控制器用于根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以带动大腿和小腿动作；
所述第一传感器包括加速度测量器、数据处理器和角度测量器；
所述加速度测量器用于测量大臂与人体中心轴之间的角加速度；
所述数据处理器用于根据所述角加速度计算手臂的摆动幅度和摆动频率；
所述角度测量器用于测量大臂与小臂之间的肘关节角度；
所述第一控制器具体用于判断所述摆动幅度是否大于第一预定阈值；若所述摆动幅度大于第一预定阈值，判断所述肘关节角度是否大于第二预定阈值；若所述肘关节角度小于第二预定阈值，控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于行走模式；若所述肘关节角度大于第二预定阈值，控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于跑步模式。
2.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其特征在于，所述第一连接部件包括大腿连接杆，所述第二连接部件包括小腿连接杆。
3.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其特征在于，所述第一关节部件包括第一驱动器和髋关节，所述第二关节部件包括第二驱动器和膝关节。
4.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其特征在于，还包括脚支撑部件、第三关节部件和第四固定结构，所述脚支撑部件与所述第二连接部件通过所述第三关节部件连接，所述第四固定结构与所述脚支撑部件连接；
所述第四固定结构用于固定在使用者的脚部，以将所述脚支撑部件固定于使用者的脚部；
所述第一控制器用于根据所述运动状态参数控制所述脚支撑部件动作，以带动脚部动作。
5.根据权利要求4所述的动力外骨骼，其特征在于，所述第三关节部件包括第三驱动器和踝关节。
6.根据权利要求1所述的动力外骨骼，其特征在于，所述第一传感器设置在使用者的肘关节。
7.一种动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述动力外骨骼包括第一连接部件、第二连接部件、第一关节部件、第二关节部件、第一固定结构、第二固定结构、第三固定结构、第一传感器以及第一控制器，所述第一连接部件与所述第二连接部件通过所述第二关节部件连接，所述第一固定结构与所述第一连接部件通过第一关节部件连接，所述第二固定结构与所述第一连接部件连接，所述第三固定结构与所述第二连接部件连接；所述第一传感器包括加速度测量器、数据处理器和角度测量器；
所述第一固定结构用于固定在使用者的腰部，以将所述第一关节部件固定于使用者的腰部；
所述第二固定结构用于固定在使用者的大腿，以将所述第一连接部件固定于使用者的大腿；
所述第三固定结构用于固定在使用者的小腿，以将所述第二连接部件固定于使用者的小腿；
所述控制方法包括：
所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数，所述运动状态参数包括手臂的摆动频率、手臂的摆动幅度以及大臂与小臂之间的肘关节角度；
所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以带动大腿和小腿动作；
所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤包括：
所述加速度测量器测量大臂与人体中心轴之间的角加速度；
所述数据处理器根据所述角加速度计算手臂的摆动幅度和摆动频率；
所述角度测量器测量大臂与小臂之间的肘关节角度；
所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤包括：
所述第一传感器获取手臂的摆动幅度以及大臂与小臂之间的肘关节角度；
所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作的步骤包括：
判断所述摆动幅度是否大于第一预定阈值；
若所述摆动幅度大于第一预定阈值，判断所述肘关节角度是否大于第二预定阈值；
若所述肘关节角度小于第二预定阈值，所述第一控制器控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于行走模式；
若所述肘关节角度大于第二预定阈值，所述第一控制器控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于跑步模式。
8.根据权利要求7所述的动力外骨骼的控制方法，其特征在于，使用者的手臂处于周期运动状态，所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作的步骤包括：
所述第一控制器根据使用者的手臂在至少一个运动周期之后的运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使大腿和小腿的动作相对于手臂的动作延迟至少一个运动周期。
9.根据权利要求7所述的动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤之前包括：
使用者的手臂在预定时间之内保持自然下垂，以初始化动力外骨骼。
10.根据权利要求7所述的动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤包括：
所述第一传感器获取左手手臂的第一摆动幅度、右手手臂的第二摆动幅度以及大臂与小臂之间的肘关节角度；
所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作的步骤包括：
判断所述第一摆动幅度是否大于第一预定阈值、所述第二摆动幅度是否大于第一预定阈值以及双臂协调度是否小于第三预定阈值，所述双臂协调度为所述第一摆动幅度与所述第二摆动幅度之差的绝对值；
若所述第一摆动幅度大于第一预定阈值、所述第二摆动幅度大于第一预定阈值以及双臂协调度小于第三预定阈值，判断所述肘关节角度是否大于第二预定阈值；
若所述肘关节角度小于第二预定阈值，所述第一控制器控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于行走模式；
若所述肘关节角度大于第二预定阈值，所述第一控制器控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作，以使使用者处于跑步模式。
11.根据权利要求7所述的动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤包括：
所述第一传感器获取左手手臂的第i-1个运动周期的第一摆动幅度αL(i-1)和右手手臂的第i-1个运动周期的第二摆动幅度αR(i-1)；
所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作的步骤包括：
所述第一控制器根据所述第一摆动幅度αL(i-1)和所述第二摆动幅度αR(i-1)控制第i个运动周期的下肢的步长为：
STEPαi＝Kαi*STEPαM，其中比例系数Kαi＝(αL(i-1)+αR(i-1))/(2αM)，αM为预定的上肢最大摆动幅度，STEPαM为预定的下肢最大步长，当获得的比例系数Kαi大于1时，设置所述比例系数Kαi等于1，以使所述比例系数Kαi不大于1。
12.根据权利要求7所述的动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述第一传感器获取使用者的手臂的运动状态参数的步骤包括：
所述第一传感器获取左手手臂的第i-1个运动周期的第一摆动频率γL(i-1)和右手手臂的第i-1个运动周期的第二摆动频率γR(i-1)；
所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述第一连接部件和所述第二连接部件动作的步骤包括：
所述第一控制器根据所述第一摆动频率γL(i-1)和所述第二摆动频率γR(i-1)控制第i个运动周期的下肢的频率为：
STEPγi＝Kγi*STEPγM，其中比例系数Kγi＝(γL(i-1)+γR(i-1))/(2γM)，γM为预定的上肢最大摆动频率，STEPγM为预定的下肢最大频率，当获得的比例系数Kγi大于1时，设置所述比例系数Kγi等于1，以使所述比例系数Kγi不大于1。
13.根据权利要求7所述的动力外骨骼的控制方法，其特征在于，所述动力外骨骼还包括脚支撑部件、第三关节部件和第四固定结构，所述脚支撑部件与所述第二连接部件通过所述第三关节部件连接，所述第四固定结构与所述脚支撑部件连接；
所述第四固定结构用于固定在使用者的脚部，以将所述脚支撑部件固定于使用者的脚部；
所述控制方法还包括：
所述第一控制器根据所述运动状态参数控制所述脚支撑部件动作，以带动脚部动作。
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