CN109202863B - 可穿戴式肌肉力量辅助装置及其控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种可穿戴式肌肉力量辅助装置及其控制方法和系统。该可穿戴式肌肉力量辅助装置包括：主体，用于支承穿戴者的上体；多个腿部滑轮，设置在主体的左侧和右侧；多个连杆，每个连杆的一端用于支承穿戴者的相应一个腿部，另一端连接到相应一个腿部滑轮，以便与其连动；多个引线，每个引线连接到相应一个腿部滑轮；和驱动单元，设置在主体处并与引线连接，以便为引线提供用于使相应腿部滑轮转动的拉力。

Description

可穿戴式肌肉力量辅助装置及其控制方法和系统

技术领域

本发明涉及一种可穿戴式肌肉力量辅助装置及其控制方法和系统，尤其涉及一种可穿戴式肌肉力量辅助装置的控制方法，其能够通过检测穿戴者的姿势来辅助穿戴者的腰部肌肉力量。

背景技术

虽然已经开发了多种作业设备，但是在各种工业现场仍然存在应当由人直接进行的作业或当人进行作业时提高效率的作业。

但是，在这样的作业中，可能会出现身体要求超过人身体限制的情况。在这种情况下，大量的人可能一起作业，或者少数人可能超出他们的能力而作业，在前一种情况下作业效率降低，在后一种情况下工人身体受伤的风险增加。

本发明背景技术部分中公开的信息仅用于增强对本发明的一般背景的理解。申请人指出，本部分可能包含本申请之前可用的信息。但是，通过提供这部分，申请人不承认本部分中包含的任何信息构成现有技术。

发明内容

为了解决上述问题，已经开发了可以由作业者直接穿戴并且可以为作业者的运动增加辅助力的可穿戴式机器人。在相关技术的可穿戴式机器人的情况下，为了机器人的鲁棒性和操作稳定性，作业者的整个身体被金属包围，使得负荷被施加到机器人而不是作业者。

也就是说，当作业者穿着机器人时，机器人支承作业者的各个关节，使得负荷被施加到机器人而不是作业者的关节。

然而，迄今为止已经开发的大多数可穿戴式机器人被构造成使得其各关节被单独地驱动。在这种结构中，因为对于各个关节需要致动器和减速器，所以对可穿戴式机器人的重量减小程度产生限制，并且制造成本高。而且，存在难以精确且稳定地控制多个致动器的问题。

因此，开发了一种使用单个致动器和单个减速器来辅助穿戴者的腰部肌肉力量的可穿戴式机器人。这种用于辅助腰部肌肉力量的可穿戴式机器人需要被控制为，在穿戴者弯腰或伸直穿戴者身体时辅助穿戴者的腰部肌肉力量，并防止穿戴者在行走时感觉不适。

因此，需要检测穿戴者的姿势，以确定所需的操作模式是控制器驱动致动器的驱动模式还是控制器不驱动致动器的行走模式。为了检测穿戴者的姿势，需要用于测量穿戴者的腰部的弯曲角度、臀部的角度等的传感器。

鉴于上述问题作出了本公开，本发明的一个方面是提供一种可穿戴式肌肉力量辅助装置及其控制方法和系统，在其中，可以使用最少数量的传感器来检测穿戴者的姿势，并且可以通过根据检测到的穿戴者的姿势计算辅助扭矩来控制由驱动单元产生的拉力。

根据本发明的一个方面，可以通过提供一种可穿戴式肌肉力量辅助装置来实现上述和其他目的，该可穿戴式肌肉力量辅助装置，包括：主体，用于支承穿戴者的上体；多个腿部滑轮，设置在主体的左侧和右侧；多个连杆，每个连杆的一端用于支承穿戴者的相应一个腿，另一端以与腿部滑轮连动的方式连接到相应一个腿部滑轮；多个引线，每个引线连接到相应一个腿部滑轮；和驱动单元，设置在主体处并与引线连接，以便为引线提供用于分别使腿部滑轮转动的拉力。

主体可以配备在穿戴者的背部，并且可以形成为在穿戴者的上体的竖直方向上延伸预定长度，且具有与穿戴者的背部的曲率对应的形状，以便与背部接触。

该可穿戴式肌肉力量辅助装置还可以包括：肩部固定部，可枢转地结合到主体，以便当穿戴者弯腰或伸直腰部时枢转。

该可穿戴式肌肉力量辅助装置还可以包括：多个连接部，用于将主体连接到腿部滑轮，其中，连接部可以位于与穿戴者的腰部对应的位置，并且形成为与腰部的曲率对应的形状，以便与腰部接触。

连杆可以包括位于穿戴者的大腿前方的支承部，并且其中，支承部在被引线牵拉时对穿戴者的大腿加压。

腿部滑轮可以位于穿戴者的左右两侧的腰部高度位置处，并且驱动单元可以位于主体的与穿戴者的腰部高度位置对应的部分。

驱动单元可以在穿戴者弯腰时退绕引线，并且在穿戴者伸直腰部时卷绕引线。

驱动单元可以包括：具有旋转轴的电机；谐波齿轮，连接到旋转轴；与谐波齿轮连接的柔轮和刚轮；和多个电机滑轮，每个电机滑轮结合到柔轮和刚轮中的相应一个，以便由此转动，并且其中，每个引线可以连接到对应的一个电机滑轮和对应的一个腿部滑轮。

驱动单元可以在穿戴者行走时不被驱动，并且在穿戴者弯腰或伸直腰部时被驱动。

该可穿戴式肌肉力量辅助装置还可以包括：用于感测穿戴者腰部倾斜度的传感器；和控制器，用于：控制驱动单元的操作，使得当由上述传感器感测到的穿戴者的腰部的倾斜度的变化等于或大于预定基准值时，卷绕或退绕引线。

根据本发明的另一方面，一种控制可穿戴式肌肉力量辅助装置的方法，该装置包括：驱动单元，配备在穿戴者的上体；连杆，配备在穿戴者的腿部；和引线，将驱动单元连接到连杆，并且该装置使用通过驱动单元的操作而施加到引线的拉力来辅助穿戴者的腰部肌肉力量，该法包括以下步骤：检测穿戴者的姿势；基于检测到的穿戴者的姿势来确定驱动单元是否需要生成拉力；当确定驱动单元需要生成拉力时，进入驱动模式，计算辅助穿戴者的腰部肌肉力量所需的辅助扭矩；以及控制驱动单元，使得驱动单元生成与计算出的辅助扭矩对应的拉力。

在检测穿戴者的姿势的步骤中，可以测量设置在驱动单元处的转动传感器的转动角度，并且可以基于测得的转动角度来计算总弯曲角度，总弯曲角度等于穿戴者上体的弯曲角度与穿戴者下体的弯曲角度之和。

在检测穿戴者的姿势的步骤中，可以测量设置在穿戴者上体处的绝对角度传感器的绝对角度，可以基于测得的绝对角度来计算穿戴者的上体相对于与地面垂直的方向的弯曲角度，并可以基于总弯曲角度和上体的弯曲角度来计算穿戴者的下体的弯曲角度。

在检测穿戴者的姿势的步骤中，绝对角度传感器可以是惯性测量单元(IMU)传感器，并且穿戴者的上体的弯曲角度可以是基于由IMU传感器测得的值来计算的。

在确定驱动单元是否需要生成拉力的步骤中，当检测到的穿戴者的姿势弯曲超过预定姿势时，可以确定驱动单元需要生成拉力。

在确定驱动单元是否需要生成拉力的步骤中，当计算出的总弯曲角度大于预定的第一角度时，可以确定驱动单元需要生成拉力。

在确定驱动单元是否需要生成拉力的步骤中，当计算出的上体的弯曲角度大于预定的第二角度时，或者当计算出的下体的弯曲角度大于预定的第三角度时，可以确定驱动单元需要生成拉力。

在计算辅助扭矩的步骤中，可以从补偿施加于上体的重力的转动扭矩、抵抗下体的弯曲的支承扭矩以及辅助上体转动的扭矩之和来计算辅助扭矩。

在计算辅助扭矩的步骤中，可以从补偿施加于上体的重力的转动扭矩、抵抗下体的弯曲的支承扭矩以及辅助上体转动的扭矩之和来计算辅助扭矩，并且可以基于上体的弯曲角度来计算补偿施加于上体的重力的转动扭矩。

在计算辅助扭矩的步骤中，可以从补偿施加于上体的重力的转动扭矩、抵抗下体的弯曲的支承扭矩以及辅助上体转动的扭矩之和来计算辅助扭矩，并且抵抗下体的弯曲的支承扭矩可以是使用假想弹簧模型的与下体的弯曲角度成比例的值。

在计算辅助扭矩的步骤中，可以从补偿施加于上体的重力的转动扭矩、抵抗下体的弯曲的支承扭矩以及辅助上体转动的扭矩之和来计算辅助扭矩，并且当上体的弯曲角度减小时，可以向辅助扭矩添加辅助上体转动的扭矩，当上体的弯曲角度增加时，可以从辅助扭矩中减去辅助上体转动的扭矩。

辅助上体转动的扭矩可以是与上体的弯曲角度的变化率成比例的值。

在计算辅助扭矩的步骤中，当计算出的辅助扭矩等于或大于预定的上限值时，可以将辅助扭矩设定为预定的上限值。

该方法还可以包括：在控制驱动单元之后，再次检测穿戴者的姿势，并且当检测到的穿戴者的姿势是上体和下体均伸直的状态时，可以终止驱动模式。

该方法还可以包括：在控制驱动单元之后，再次检测穿戴者的姿势，并且当计算出的总弯曲角度为0以下时，可以终止驱动模式。

根据本发明的又一方面，一种控制可穿戴式肌肉力量辅助装置的系统，该装置包括：驱动单元，配备在穿戴者的上体；连杆，配备在穿戴者的腿部；和引线，将驱动单元连接到连杆，并且该装置使用通过驱动单元的操作而施加到引线的拉力来辅助穿戴者的腰部肌肉力量，该系统包括：转动传感器，设置在驱动单元处以测量转动角度；绝对角度传感器，设置在穿戴者的上体以测量绝对角度；和控制器，用于：基于由转动传感器和绝对角度传感器测得的值来检测穿戴者的姿势；基于检测到的穿戴者的姿势来确定驱动单元是否需要生成拉力；当确定驱动单元需要生成拉力时，进入驱动模式，计算辅助穿戴者的肌肉力量所需的辅助扭矩；以及控制驱动单元，使得驱动单元生成与计算出的辅助扭矩对应的拉力。

附图说明

从下面结合附图的详细描述中，将会更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置在穿戴者穿戴时的背面立体图；

图2是根据本发明实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的正面立体图；

图3是本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的肩部固定部的放大图；

图4A是根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的驱动单元的放大图；

图4B是根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的驱动单元的剖视图；

图5是示出根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的控制方法的流程图；

图6是示出基于穿戴者的姿势来计算根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的辅助扭矩的计算式的图；

图7是根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的控制系统的框图；和

图8是基于穿戴者的姿势示出根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的辅助扭矩的曲线图。

具体实施方式

在本发明的说明书中公开的本发明实施例的具体结构和功能描述仅仅是为了描述根据本发明的实施例而提供的示例性描述。本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应当被解释为限于在此阐述的实施例。

由于可以根据本发明的概念对实施例应用各种变化和修改，并且由于可以以各种形式来配置本发明的实施例，因此，下面将参照附图中呈现的示例详细描述本发明的具体实施例。然而，应理解，与本发明的概念相关的实施例不仅限于在此公开的具体结构。因此，应理解，包括在本发明的技术范围和精神内的所有变化和修改、等同物和替换都包括在内。

应理解，这里使用术语“第一”和“第二”来描述各种元件，并且仅用于将一个元件与另一个元件区分开。因此，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不偏离本发明的教导。

应理解，当元件被提及“连接到”另一元件时，它可以直接连接到另一元件，或者也可以存在中间元件。与之对照，当元件被提及“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。描述组件之间的关系，诸如“在...之间”、“直接在...之间”、“与...相邻”和“与...直接相邻”之类的其它表述，可以被类似地解释。

以下描述中使用的术语仅用于描述具体实施例，并不意图限制本发明。除非基于上下文明确地区分单数表达，否则单数的表达包括复数含义。在说明书中，术语“包括”、“包含”和“具有”应理解为指定特定特征、数字、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、数字、步骤、操作、元件、部件或其组合。

除非另外定义，否则本文所用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本领域技术人员通常所理解的相同的含义。术语，例如在普通字典中定义的术语，应被解释为与相关技术的术语具有相同的含义，除非在说明书中明确定义，否则不应理解为具有理想的或过于正式的含义。

现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。只要可能，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。

本发明的一个方面提供了一种用于辅助作业者的可穿戴式外骨骼设备以及一种用于控制该可穿戴式外骨骼设备的方法。在实施例中，可穿戴式外骨骼设备包括用于支承作业者的上体(背部、脊椎)的第一构件100(主体)和用于支承作业者的腿部(大腿)的第二构件310、320。如图1和图2所示，当作业者穿戴上设备时，第一构件100的姿势表示作业者的上体(背部、脊柱)的姿势，并且第二构件310、320的姿势表示作业者的下体(大腿)的姿势。

在实施例中，可穿戴式外骨骼设备的控制器使用上体的姿势(相对于竖直方向的角度)和下体的姿势(相对于竖直方向的角度)中的至少一个进行控制。图6示出从作业者的侧面看时的上体610和下体620。在实施例中，外骨骼设备的控制器使用被配置成测量第一构件100的姿势的惯性测量单元(IMU)传感器来计算上体610相对于竖直方向600的上体弯曲角度θ_imu。

在实施例中，外骨骼设备的控制器使用第一转动角度传感器和第二转动角度传感器中的至少一个来估计上体610与下体620之间的角度，第一转动角度传感器安装在驱动单元500处，被配置为测量引线驱动单元的转动角度，第二转动角度传感器安装在腿部滑轮210、220处，用于驱动第二构件310、320。由于引线连接驱动单元500和腿部滑轮210、220，并且第一构件和第二构件根据引线的卷绕/退绕而变化，因此控制器可以使用腿部滑轮的转动角度或驱动单元的转动角度中的至少一个来估计θ_est(上下体之间的角度)。

图1是根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置在穿戴者穿戴时的背面立体图。图2是根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的正面立体图。图3是根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的肩部固定部的放大图。图4A是根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的驱动单元的放大图。图4B是根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的驱动单元的剖视图。图5是根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的控制流程图。

参考图1和图2，根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置包括：主体100，用于支承穿戴者的上体；多个腿部滑轮200，设置在主体100的左侧和右侧；多个连杆300，每个连杆的一端用于支承穿戴者的腿中的相应一个腿，而另一端以与腿部滑轮连动(interlock)的方式连接到腿部滑轮200中的相应一个腿部滑轮；多个引线400，每个引线连接到腿部滑轮200中的相应一个腿部滑轮；驱动单元500，设置在主体100上并与引线400连接，以便为引线400提供用于使相应腿部滑轮200转动的拉力。

主体100可以配备在穿戴者的上体上以便支承穿戴者的上体。期望的是，主体100配备在穿戴者的背部，并且形成为在穿戴者的上体的竖直方向上延伸预定长度。具体地，主体100可以配备在穿戴者的上体，即穿戴者弯腰或伸直腰部的腰关节上方的身体部位，并且可以具有与腰部的背面的曲率对应的形状，使得与穿戴者的背部紧密接触，由此支承上体而不使穿戴者感到不适。

参照图3，根据实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置可以进一步包括肩部固定部600，其可枢转地结合到主体100，使得当穿戴者弯腰或伸直腰部时枢转。具体而言，肩部固定部600可枢转地结合到主体100的靠近穿戴者的肩部的上端部。因此，当穿戴者弯曲或伸直腰部时，肩部固定部600根据腰部曲率的变化而枢转，由此使主体100保持与穿戴者的背部接触。主体100可以具有结合位置调节结构，通过该结合位置调节结构，根据穿戴者的身高调节与其结合的肩部固定部600的高度。

另外，可穿戴式肌肉力量辅助装置可以采用固定到穿戴者的肩部的系带(例如，皮带或条带等)。系带可以连接到肩部固定部600并且可以放置在穿戴者的肩部上。

设置在主体100的左侧和右侧的腿部滑轮200可以包括左腿部滑轮210和右腿部滑轮220。

根据实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置还可以包括用于将主体100连接到腿部滑轮200的多个连接部700。连接部700可以位于与穿戴者的腰部对应的位置，并且可以形成为与腰部的曲率对应的形状以便与其接触。具体地，连接部700可以包括连接到左腿部滑轮210的左连接部710和连接到右腿部滑轮220的右连接部720。

连接部700构造成使得腿部滑轮200可转动地连接到它。连接部700可以由多个连杆构成，以确保结构稳定性。另外，由于连接部700位于与穿戴者腰部对应的位置，并形成为与腰部的曲率对应的形状以便与之接触，因此穿戴者能够稳定且舒适地弯曲或伸直腰部。

每个连杆300的一端用于支承穿戴者的腿中的相应一个腿，另一端以与腿部滑轮连动的方式连接到腿部滑轮200中的相应一个腿部滑轮。具体地，连杆300可以包括连接到左腿部滑轮210的左连杆310和连接到右腿部滑轮220的右连杆320，由此每个连杆以连动的方式随着腿部滑轮中的对应一个腿部滑轮的转动而转动。然而，连杆300可以可转动地结合到腿部滑轮200，以便相对于穿戴者的腿的向左或向右运动而自由地转动。

连杆300包括位于穿戴者大腿前方的支承部311和321。支承部311和321可以在被引线400拉动时对穿戴者的大腿加压。具体地，支承部311和321包括设置在左连杆310前方的左支承部311和设置在右连杆320前方的右支承部321。支承部311和321可以被构造成在穿戴者的大腿前方对其加压，以便防止腿部滑轮200和连杆300因引线400的拉动操作而转动。

引线400可以连接到腿部滑轮200。具体地，引线400可以包括左引线410和右引线420。左引线410可以通过左连接部710连接到左腿部滑轮210，并且右引线420可以通过右连接部720连接到右腿部滑轮220。左引线410和右引线420可以被左连接部710和右连接部720完全或部分地屏蔽。

驱动单元500可以设置在主体100处，并且可以与引线400连接，以便为引线400提供用于使相应的腿部滑轮200转动的拉力。具体地，左引线410连接到左腿部滑轮210，并且右引线420连接到右腿部滑轮220，由此左腿部滑轮210和右腿部滑轮220中的每一个都可以通过左引线410和右引线420中的对应一个的拉动操作而转动。

驱动单元500可以被配置成当穿戴者弯腰时退绕引线400，并且当穿戴者伸直腰部时卷绕引线400。

腿部滑轮200可以位于穿戴者的左侧和右侧的腰部高度位置。具体而言，腿部滑轮200可以位于与穿戴者的腿关节对应的位置，以避免妨碍穿戴者的腰部弯曲运动。此外，驱动单元500可以位于主体100的与穿戴者的腰部高度位置对应的部分处，由此，当穿戴者弯腰时所施加的转动惯性负荷由于驱动单元500的重量以及与腿部滑轮200的距离而被最小化，由此提高控制响应性和最小化能量损失。

参照图4A和图4B，驱动单元500可以包括具有旋转轴的电机510、连接到旋转轴的谐波齿轮520、连接到谐波齿轮520的柔轮540和刚轮530、以及多个电机滑轮550，每个电机滑轮结合到柔轮540和刚轮530中的相应一个，以便由此转动。每个引线400可以连接到对应一个电机滑轮550和对应一个腿部滑轮200。

具体地，电机滑轮550可以包括左电机滑轮551和右电机滑轮552。左引线410可以连接到左腿部滑轮210和左电机滑轮551，并且右引线420可以连接到右腿部滑轮220和右电机滑轮552。

在一个示例中，连接到谐波齿轮520的柔轮540可以结合到左电机滑轮551以使其转动。连接到谐波齿轮520的刚轮530可以结合到右电机滑轮552以使其转动。替换地，可以构造成使得柔轮结合到右电机滑轮，而刚轮结合到左电机滑轮。

当穿戴者正在行走时，驱动单元500的操作以及左电机滑轮551和右电机滑轮552的相对转动不会发生，并且重复地执行引线400的卷绕/退绕操作，使得引线400卷绕在左电机滑轮551上，同时从右电机滑轮552上退绕，以及相反地，卷绕在右电机滑轮552上，同时从左电机滑轮551上退绕。

当穿戴者弯腰或伸直腰部时，驱动单元500操作，具有旋转轴的电机510转动，连接到旋转轴的谐波齿轮520以及连接到谐波齿轮520的柔轮540和刚轮530也转动，并且因此，左电机滑轮551和右电机滑轮552可以执行相对转动运动，使得引线400可以同时缠绕在其上或者可以同时从其上退绕。驱动单元500可以包括差动齿轮，由此当左电机滑轮和右电机滑轮具有相同的阻力时，电机510的力可以均匀地分配到其上，或者当左电机滑轮和右电机滑轮具有相互不同的阻力时，电机510的力可以有差别地分配到其上。

根据实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置还可以包括用于感测穿戴者腰部倾斜度的传感器以及控制器，控制器用于控制驱动单元500的操作，使得当由传感器感测到的穿戴者腰部倾斜度的变化等于或大于预定基准值时可以卷绕或退绕引线400。

如上所述，由根据本发明的方法和系统控制的可穿戴式肌肉力量辅助装置包括：驱动单元，配备在穿戴者上体；连杆，配备在穿戴者的腿上；以及引线，将驱动单元连接到连杆，并且该装置使用通过驱动单元的操作而施加到引线的拉力来辅助穿戴者的腰部肌肉力量。

主体100使用肩部系带或皮带固定在穿戴者的上体上，以便沿着穿戴者的上体伸直的方向施加力或扭矩。

位于穿戴者上体的驱动单元500向引线400提供拉力，以便生成使各个腿部滑轮200转动的转动力。也就是说，转动力通过由驱动单元500生成的引线400的拉力而被施加到腿部滑轮200。因此，施加到腿部滑轮200的转动力对穿戴者的腿施加压力，并且响应于此而在穿戴者伸直上体的方向上生成扭矩，由此辅助穿戴者的腰部肌肉力量。

然而，驱动单元500需要操作以仅当意图辅助穿戴者的腰部肌肉力量时生成引线400的拉力，并且当穿戴者正在行走时，引线400的拉力需要被最小化以避免中断穿戴者的行走。也就是说，当穿戴者正在行走时，由于引线沿相同方向被拉伸，因此整个驱动单元500可以在不被驱动的情况下转动。

图5是示出控制根据本发明实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的方法的流程图。

参考图5，根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置包括：驱动单元，配备在穿戴者的上体；连杆，配备在穿戴者的腿上；以及引线，将驱动单元连接到连杆，并且该装置使用通过驱动单元的操作而施加到引线的拉力来辅助穿戴者的腰部肌肉力量，控制该装置的方法可以包括：步骤(S300)，检测穿戴者的姿势；步骤(S400)，基于检测到的穿戴者的姿势来确定驱动单元是否需要生成拉力；步骤，在确定驱动单元需要生成拉力时进行驱动模式后(S500)，计算辅助穿戴者的腰部肌肉力量所需的辅助扭矩；以及步骤，控制驱动单元，使得驱动单元生成与计算出的辅助扭矩对应的拉力。

首先，当向机器人施加电力时，可以收集设置在机器人的驱动单元处的霍尔传感器和惯性测量单元(IMU)传感器的值(S100)。其原因在于，判断在电力被施加到机器人的初始状态下的机器人的姿势。

随后，可以执行初始化步骤(S200)。该步骤可以是通过对驱动单元进行驱动来卷绕引线，使得配备在穿戴者的腿部上的连杆和驱动单元可以与穿戴者的身体紧密接触的步骤。此外，初始化步骤可以是完全伸直穿戴者的腰部和下体，并且在穿戴者完全伸直的姿势下测量并存储驱动单元的霍尔传感器的值的步骤。也就是说，该步骤的作用在于，存储用作用于使用霍尔传感器测量角度的基准值的初始值。

图6是示出基于穿戴者的姿势来计算根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的辅助扭矩的公式的图。

参考图6，执行检测穿戴者的姿势的步骤(S300)，以检测穿戴者的身体的弯曲程度，以便确定穿戴者是正在行走还是需要辅助扭矩。在该步骤中，可以测量设置在驱动单元处的转动传感器的转动角度，并且可以基于测得的转动角度来计算总弯曲角度θ_hall，其为穿戴者上体的弯曲角度与穿戴者下体的弯曲角度之和。

这里，转动传感器可以是设置在驱动单元的电机处的霍尔传感器。在使用BLDC电机作为驱动单元的电机的情况下，其中必然包括霍尔传感器，因此可以在没有附加传感器的情况下检测穿戴者的姿势。

可以通过测量设置在驱动单元处的霍尔传感器的转动角度，并将测得的转动角度与初始值进行比较，来计算总弯曲角度。这里，总弯曲角度θ_hall是指穿戴者相对于在地面上直立的状态的上体弯曲角度θ_imu和下体弯曲角度θ_hip之和。

具体而言，通过将霍尔传感器的转动角度乘以预定常数，可以计算由穿戴者的弯曲运动拉伸的引线的长度，并且通过将引线的拉伸长度乘以另一预定常数，还可以计算穿戴者的总弯曲角度。换句话说，穿戴者的总弯曲角度θ_hall可以基于霍尔传感器的转动角度来计算，或者更详细地说，可以通过将霍尔传感器的转动角度乘以预定常数来计算。

上述预定常数可以从实验得出，并且可以随从穿戴者的弯曲运动的中心到配备在每条腿部上的连杆的距离以及从穿戴者的弯曲运动的中心到驱动单元的距离而变化。

在检测穿戴者的姿势的步骤(S300)中，可以测量设置在穿戴者上体的绝对角度传感器的绝对角度，并且可以基于测得的绝对角度来计算穿戴者相对于与地面垂直的方向弯曲上体的上体弯曲角度θ_imu。

设置在穿戴者上体的绝对角度传感器可以是被配置为测量倾斜角度的惯性测量单元(IMU)传感器。因此，IMU传感器可以测量穿戴者上体倾斜的角度。穿戴者的上体弯曲角度θ_imu可以基于由IMU传感器测得的值来计算。

穿戴者的姿势可以通过基于总弯曲角度θ_hall和上体弯曲角度θ_imu计算穿戴者的下体弯曲角度θ_hip来检测。例如，如下面的公式所示，可以通过以下步骤来计算下体弯曲角度θ_hip：从通过霍尔传感器计算出的总弯曲角度θ_hall减去通过IMU传感器计算出的上体弯曲角θ_imu。

θ_hip＝θ_hall-θ_imu

因此，本发明具有以下效果：仅通过将IMU传感器添加到穿戴者的上体的一部分来计算上体弯曲角度和下体弯曲角度两者。

返回参考图5，在确定驱动单元是否需要生成拉力的步骤(S400)中，当检测到的穿戴者的姿势弯曲超过预定姿势时，可以确定驱动单元需要生成拉力。这里，预定姿势是指穿戴者的身体从直立在地面上的姿势倾斜使得穿戴者仍然能够自由且自然地移动的某个程度的姿势，即，自直立姿势的倾斜度处于预定阈值内的姿势。

具体地，在确定驱动单元是否需要生成拉力的步骤(S400)中，当计算出的总弯曲角度θ_hall大于预定的第一角度时，可以确定驱动单元需要生成拉力。

替换地，在确定驱动单元是否需要生成拉力的步骤(S400)中，当计算出的上体弯曲角度θ_imu大于预定的第二角度时，或者当计算出的下体弯曲角度θ_hip大于预定的第三角度时，可以确定驱动单元需要生成拉力。

这里，第一角度、第二角度和第三角度可以被设定为能够推断穿戴者的意图所基于的值，并且其可以预先存储在控制器的存储器中。例如，与上体弯曲角度关联的第二角度可以被设定为20度，并且与下体弯曲角度关联的第三角度可以被设定为40度。第一角度可以被设定为第二角度与第三角度之和，例如60度，或者可以设定为与第二角度和第三角度无关的另一个值。

当确定驱动单元不需要生成拉力时，可以开始行走模式(S600)。在行走模式(S600)中，因为引线随着穿戴者的腿向前和向后移动而移动，所以拉力可能使得穿戴者在行走时感觉不舒服。因此，当行走模式开始时，控制器可以控制驱动单元，使得驱动单元进一步将引线释放某个程度，由此防止穿戴者在行走模式中感觉不舒服。

当确定驱动单元需要生成拉力时，可以在进入驱动模式后执行计算辅助穿戴者的腰部肌肉力量所需的辅助扭矩的步骤(S500)。

返回参考图6，在计算辅助扭矩的步骤(S500)中，可以从补偿施加于上体的重力的转动扭矩Y、抵抗下体的弯曲的支承扭矩Z与辅助上体转动的扭矩X之和计算辅助扭矩。

补偿施加到上体的重力的扭矩Y可以补偿由穿戴者的上体相对于与地面垂直的方向倾斜的角度θ_imu以及施加于上体的重力mg所产生的转动扭矩。

具体地说，补偿施加于上体的重力的扭矩Y可以与施加于上体的重力和上体的弯曲角度成比例。例如，假定施加于上体的重力集中在穿戴者的头部的冠部(crown)上，则补偿施加于上体的重力的转动扭矩可以通过将施加到上体的重力mg、自穿戴者的转动中心起的上体的长度l以及上体弯曲角度θ_imu的正弦相乘来计算。然而，因为施加于上体的重力实际上并不集中在头部的冠部，所以用于计算转动扭矩的公式可能更为复杂。

抵抗下体弯曲的支承扭矩Z可以是使用假想弹簧模型的与下体弯曲角度θ_hip成比例的值。假想弹簧模型可以被应用到穿戴者的下体的上部，如图6所示，或者可以将其应用于下部，并且计算出的支承扭矩可以与下体弯曲角度θ_hip成比例。

具体而言，可以通过将下体弯曲角度θ_hip乘以弹簧常数K来计算抵抗下体弯曲的支承扭矩Z。当下体弯曲角度θ_hip为0时，抵抗下体弯曲的支承扭矩Z也可以是0。假想弹簧模型的弹簧常数K是可以根据穿戴者的体重和期望的响应性而通过实验设定的值。弹簧常数K越大，抵抗下体弯曲的支承扭矩越大。因为对于本领域技术人员而言显而易见的是，当穿戴者弯曲下体时，在下体伸直的方向上支承下体的扭矩增加，因此将省略其详细说明。

设置可以为，当上体弯曲角度θ_imu减小时，即当穿戴者正在伸直上体时，辅助上体转动的扭矩X被添加到辅助扭矩，以及当上体弯曲角度θ_imu增加时，即当穿戴者正在弯曲上体时，从辅助扭矩中减去辅助上体转动的扭矩X，以避免中断穿戴者的上体弯曲运动。

也就是说，辅助上体转动的扭矩X可以是与上体弯曲角度的变化率ω_imu成比例的值。可以通过使上体弯曲角度θ_imu相对于时间微分来计算上体弯曲角度的变化率ω_imu。此时，当上体弯曲角度的变化率ω_imu为正值时，从辅助扭矩中减去扭矩X，并且当上体弯曲角度的变化率ω_imu为负值时，将扭矩X添加到辅助扭矩。因此，辅助上体转动的扭矩X可以用负号(-)标记，并且可以添加到辅助扭矩。

在计算辅助扭矩的步骤(S500)中，当计算出的辅助扭矩等于或大于预定的上限值时，辅助扭矩可以被设定为预定的上限值。例如，在将上限值设定为45Nm的条件下，当计算出的辅助扭矩等于或大于上限值时，可以将辅助扭矩设定为上限值，即45Nm。

如果辅助扭矩过大，则可能使穿戴者笨拙或急剧移动，从而有可能发生危险情况。因此，为了稳定性，有必要设定适当的上限值。上限值可以考虑到穿戴者的身体类型和对穿戴者的意图的响应性来适当地设定，并且可以预先设定在控制器的存储器中。

控制驱动单元使得驱动单元生成与计算出的辅助扭矩对应的拉力的步骤可以被执行为，使得以卷绕引线的方式对驱动单元进行驱动，并因此生成与计算出的辅助扭矩对应的拉力。也就是说，驱动单元能够通过卷绕引线的操作生成张力，以便将计算出的辅助扭矩施加到穿戴者。

具体而言，驱动单元卷绕引线以便将计算出的辅助扭矩施加到穿戴者的程度可以根据从穿戴者的上体或下体弯曲的转动中心到用于支承上体或下体的力被施加到的点的距离而改变。可以从实验得出卷绕引线的程度，并且与其相关的映射图数据可以被预先存储在控制器的存储器中并且可以被使用。

返回参考图5，根据实施例的控制可穿戴式肌肉力量辅助装置的方法可以进一步包括：在控制由驱动单元生成的拉力的步骤之后，再次检测穿戴者的姿势的步骤(S700)。当检测到的穿戴者的姿势是上体和下体全部伸直的状态(S800)时，可以终止驱动模式。具体而言，当计算出的穿戴者的总弯曲角度为0以下时(S800)，终止驱动模式。图5中的角度θ_motor等同于设置在驱动单元处的霍尔传感器的值θ_hall。当穿戴者的总弯曲角度θ_hall变为0以下时，即，当穿戴者将他/她的身体伸直超过在地面上直立的姿势时，可以终止驱动模式。

当驱动模式终止时，处理可以返回到检测穿戴者的姿势的步骤(S300)以及确定是进入驱动模式还是进入行走模式的步骤(S400)。

图7是根据本发明实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的控制系统的框图。

参考图7，根据本发明的实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置包括：驱动单元，配备在穿戴者上体上；连杆，配备在穿戴者双腿上；和引线，将驱动单元连接到连杆，并且该装置使用通过驱动单元的操作而施加到引线的拉力来辅助穿戴者的腰部肌肉力量，控制该装置的系统可以包括：转动传感器40，设置在驱动单元30处以测量转动角度；绝对角度传感器10，设置在穿戴者的上体以测量绝对角度；和控制器20，用于：基于由转动传感器40和绝对角度传感器10测得的值来检测穿戴者的姿势，基于检测到的穿戴者的姿势来确定驱动单元30是否需要生成拉力，在确定驱动单元30需要生成拉力时进入驱动模式后，计算辅助穿戴者的肌肉力量所需的辅助扭矩，并且控制驱动单元30，使得驱动单元30生成与计算出的辅助扭矩对应的拉力。

绝对角度传感器10设置在穿戴者的上体，并且是角度传感器，其可以被实现为例如IMU传感器。转动传感器40被设置在驱动单元30处以测量电机的转动角度，并且可以被实现为例如霍尔传感器。

由于控制系统的操作与上述控制方法相同，所以省略其说明。

图8是基于穿戴者姿势的辅助扭矩示出根据本发明实施例的可穿戴式肌肉力量辅助装置的曲线图。

参考图8，在初始区间“行走”中，由传感器测得的角度根据穿戴者的行走运动而波动。在这种行走模式下，引线可以保持松开，以便使θ_hall的波动最小。此时，辅助扭矩可以是0。

接下来的区间“腰”是穿戴者弯曲然后仅伸直上体的区间。在上体弯曲运动(“弯屈”)中，从补偿施加于上体的重力的转动扭矩与辅助上体转动的扭矩之和来计算辅助扭矩。这里，由于上体的转动是在上体弯曲的方向上进行的，所以上体弯曲角度的变化率ω_imu是正值，并且辅助上体转动的扭矩是负值。因此，辅助扭矩减小，以避免中断穿戴者的上体弯曲运动。

在支承弯曲的上体的模式(“支承”)中，从补偿施加于上体的重力的转动扭矩来计算辅助扭矩。在伸直上体的运动(“伸展”)中，从补偿施加于上体的重力的转动扭矩和辅助上体转动的扭矩之和来计算辅助扭矩。此时，上体弯曲角度的变化率ω_imu为负值，辅助上体转动的扭矩为正值。因此，辅助扭矩增大，以辅助伸直上体的运动。

接下来的区间“腰-臀”是与上述区间“腰”几乎相同的区间，但是不同之处在于，将抵抗下体弯曲的支承扭矩添加到辅助扭矩。抵抗下体弯曲的支承扭矩是基于下体弯曲角度θ_hip来计算的，并且在整个下体弯曲的状态期间被添加到辅助扭矩。

此外，辅助扭矩的上限值被设定为45Nm。即使计算出的辅助扭矩超过上限值，辅助扭矩也维持在上限值。

从以上描述中显而易见的是，在根据本发明实施例的用于控制可穿戴式肌肉力量辅助装置的方法和系统中，可以使用最少数量的传感器可靠地检测穿戴者的姿势，由此减少可穿戴式机器人的重量及其制造成本。另外，能够根据检测出的穿戴者的姿势推测穿戴者的意图，能够计算出与穿戴者的动作相适应的辅助扭矩，能够适当地辅助穿戴者的肌肉力量，防止穿戴者在走路时感觉不舒服。也就是说，可穿戴式肌肉力量辅助装置被控制为恰当地符合穿戴者的意图。

结合本文公开的实施例描述的逻辑块、模块或单元可以由具有至少一个处理器、至少一个存储器和至少一个通信接口的计算设备来实现或执行。结合本文公开的实施例描述的方法、过程或算法的元素可直接体现为硬件，由至少一个处理器执行的软件模块或两者的组合。可以将用于实现结合本文公开的实施例描述的方法、过程或者算法的计算机可执行指令存储在非临时性计算机可读存储介质中。

虽然为了说明的目的已经公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离如原始权利要求所公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。

Claims (9)

1.一种可穿戴式肌肉力量辅助装置，包括：

主体，用于支承穿戴者的上体；

多个腿部滑轮，设置在所述主体的左侧和右侧；

多个连杆，每个连杆的一端用于支承穿戴者的相应一个腿，另一端以与腿部滑轮连动的方式连接到相应一个腿部滑轮；

多个引线，每个引线连接到相应一个腿部滑轮；和

驱动单元，设置在主体处并与引线连接，以便为引线提供用于分别使腿部滑轮转动的拉力，

其中，所述驱动单元包括：

具有旋转轴的电机；

谐波齿轮，连接到所述旋转轴；

与所述谐波齿轮连接的柔轮和刚轮；和

多个电机滑轮，每个电机滑轮结合到所述柔轮和所述刚轮中的相应一个，以便由此转动，

其中，每个引线连接到对应的一个电机滑轮和对应的一个腿部滑轮，并且

其中，所述装置被配置为使得在行走模式下，当重复地执行所述引线的卷绕或退绕操作时，所述引线卷绕在所述电机滑轮中的第一个上，同时从所述电机滑轮中的第二个上退绕，而不驱动电机，且没有所述多个电机滑轮的相对转动。

2.根据权利要求1所述的可穿戴式肌肉力量辅助装置，其中，所述主体配备在穿戴者的背部，并且形成为在穿戴者的上体的竖直方向上延伸预定长度，且具有与穿戴者的背部的曲率对应的形状，以便与背部接触。

3.根据权利要求1所述的可穿戴式肌肉力量辅助装置，还包括：

肩部固定部，可枢转地结合到所述主体，以便当穿戴者弯腰或伸直腰部时枢转。

4.根据权利要求1所述的可穿戴式肌肉力量辅助装置，还包括：

多个连接部，用于将所述主体连接到所述腿部滑轮，

其中，所述连接部位于与穿戴者的腰部对应的位置，并且形成为与腰部的曲率对应的形状，以便与腰部接触。

5.根据权利要求1所述的可穿戴式肌肉力量辅助装置，其中，所述连杆包括位于穿戴者的大腿前方的支承部，

并且其中，所述支承部在被引线牵拉时对穿戴者的大腿加压。

6.根据权利要求1所述的可穿戴式肌肉力量辅助装置，其中，所述腿部滑轮位于穿戴者的左右两侧的腰部高度位置处，并且所述驱动单元位于所述主体的与穿戴者的腰部高度位置对应的部分。

7.根据权利要求1所述的可穿戴式肌肉力量辅助装置，其中，所述驱动单元在穿戴者弯腰时退绕所述引线，并且在穿戴者伸直腰部时卷绕所述引线。

8.根据权利要求1所述的可穿戴式肌肉力量辅助装置，其中，所述驱动单元在穿戴者行走时不被驱动，并且在穿戴者弯腰或伸直腰部时被驱动。

9.根据权利要求1所述的可穿戴式肌肉力量辅助装置，还包括：

用于感测穿戴者腰部倾斜度的传感器；和

控制器，用于：控制所述驱动单元的操作，使得当由上述传感器感测到的穿戴者的腰部的倾斜度的变化等于或大于预定基准值时，卷绕或退绕所述引线。

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