CN110842896B - 一种可穿戴式腰部助力外骨骼机构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴式腰部助力外骨骼机构及其控制方法。该可穿戴式腰部助力外骨骼机构包括腰部组件、腿部组件、髋关节组件、驱动组件、控制器以及数据采集器。数据采集器包括倾角传感器与加速度传感器，倾角传感器用于采集背板产生夹角时的角度，加速度传感器用于采集背板产生夹角时的角加速度，控制器通过该角度和角加速度构建外骨骼助力模型，然后控制算法来识别穿戴者的运动意图。本发明的可穿戴式腰部助力外骨骼机构，其具有五个自由度，能够实现机器人和人的运动自由度的充分匹配，且外骨骼大腿杆和人腿之间只在助力时接触，外骨骼不工作时，外骨骼大腿杆和人脱离，从而提高了腰部助力外骨骼的穿戴舒适性。

Description

一种可穿戴式腰部助力外骨骼机构及其控制方法
技术领域
本发明涉及机器人领域中的助力机构，尤其涉及一种可穿戴式腰部助力外骨骼机构及其控制方法。
背景技术
在建筑工地、物流公司、造船厂、飞机生产车间等工作场景，工人经常需要重复各种搬运动作，如弯腰举起重物，身体前倾搬运重物行走等，在这些动作中，腰部常常承受了很大的力，经过长时间的搬运后，许多工人会出现严重的腰伤。腰部助力外骨骼是一种可穿戴机器人系统，通过外骨骼助力系统拉动工人的背部进行直立，并通过机械结构将部分负重传导至腿部。当工人弯腰搬重物时，腰部助力外骨骼可以有效地缓解脊椎受到的压力，减少工人背部肌肉的损伤。工人通过穿戴腰部助力外骨骼装备，可以有效减小工作负荷并且极大的提升工作效率。尽管将腰部助力外骨骼应用于工业领域已有一些成功案例，但现有腰部外骨骼在穿戴舒适性和控制性能上仍然存在不足之处。
现有的腰部助力外骨骼的自由度个数非常有限，难以和人的髋关节以及背部的自由度进行匹配，穿戴者在运动时会受到外骨骼的阻碍。另外在外骨骼不工作时，大腿处的绑带会限制人腿部的运动，也会影响外骨骼的穿戴舒适性。另外如何根据传感器的信息，设计相应的控制算法，保证高性能的助力效果也是需要解决的一个重点难题。
发明内容
为减轻佩戴者的腰部负担，本发明提供一种可穿戴式腰部助力外骨骼机构。
本发明采用以下技术方案实现：一种可穿戴式腰部助力外骨骼机构，其包括；
机械结构，其包括腰部组件、两个髋关节组件和两个腿部组件；两个髋关节组件分别与腰部组件连接，两个腿部组件分别设置于两个髋关节组件下方；所述腰部组件包括与穿戴者的背部相接触的背板，穿戴者发生倾斜时，背板由此与重心线之间存在倾斜方向上的一个夹角；
两个驱动组件，分别设置于两个髋关节组件和两个腿部组件之间，且分别用于驱动两个腿部组件；两个所述驱动组件均包括盘式电机、谐波减速器和T型轴，盘式电机与谐波减速器之间通过两个T型轴传动连接，T型轴的大头端与盘式电机固定连接，其另一端固定在谐波减速器的键槽中，谐波减速器设置于髋关节组件上；
所述可穿戴式腰部助力外骨骼机构还包括：
数据采集器，其用于所述夹角的角度以及产生夹角时的角加速度；以及
控制器，其根据数据采集器采集到的角度与角加速度建立外骨骼的物理模型，该物理模型包括：人体背部运动模型和外部骨骼背板运动模型：
所述人体背部运动模型为：
Figure BDA0002310097130000031
所述外骨骼背板运动模型为：
Figure BDA0002310097130000032
其中MP、MB分别为外部负载及穿戴者上半身的质量，α为穿戴者背部与重心线方向的夹角的角度，
Figure BDA0002310097130000033
为角速度，
Figure BDA0002310097130000034
为角加速度，lP、lB分别为外部负载及穿戴者上半身质心到盘式电机轴心的距离，FM为人体背部肌肉的输出力，F为腰部外骨骼对人上半身的作用力，d、L分别为背部肌肉输出力及外骨骼对人上半身的作用力到盘式电机轴心的距离，I为穿戴者上半身的转动惯量，Tact为盘式电机的输出力矩，B为外骨骼关节处的阻尼系数，Ie为外骨骼背部的转动惯量，g为重力常数；控制器还用于根据预设控制率，控制盘式电机的输出力矩Tact使得人体背部肌肉的输出力FM趋于0，所述预设控制率为：
Figure BDA0002310097130000035
作为上述方案的进一步改进，所述腰部组件还包括两个底板、两个第一连接板、两个第二连接板和绑带；所述背板包括与穿戴者背部接触的正面以及与所述正面相对的背面；两个底板的一端分别转动连接于所述背面的相对两侧上，两个第一连接板的一端分别与两个底板的相对另一端转动连接，两个第二连接板的一端分别与两个第一连接板的相对另一端可伸缩连接，绑带固定在所述正面上，且至少一端为自由端。
作为上述方案的进一步改进，所述髋关节组件包括纵向旋转柱、连接柱和第三连接板；纵向旋转柱的一端与第二连接板的相对另一端转动连接，连接柱的顶部与纵向旋转柱的相对另一端的底部固定连接，连接柱的底部开设有凹槽，第三连接板的一端分别转动连接于凹槽内，谐波减速器设置于第三连接板的相对另一端的侧面上。
作为上述方案的进一步改进，所述驱动组件还包括电机驱动器，电机驱动器集成于盘式电机的内部，电机驱动器一方面用于放大控制器输出的控制信号的功率，另一方面将控制器的电压信号转化为电流信号。
作为上述方案的进一步改进，所述数据采集器包括倾角传感器与加速度传感器，倾角传感器用于所述夹角的角度，加速度传感器用于采集背板产生夹角时的角加速度。
作为上述方案的进一步改进，所述腿部组件包括大腿固定板、外端盖子、内端盖子，外端盖子与谐波减速器的外圈钢轮相连，大腿固定板与谐波减速器的内圈钢轮连接，第三连接板的相对另一侧与内端盖子固定相连。
作为上述方案的进一步改进，所述大腿固定板远离内端盖子的一端固定连接有弧形零件。
作为上述方案的进一步改进，所述控制器包括运算与通信模块、数据采集模块和控制输出模块；所述运算与通信模块包括CPU、网络通信、FPGA，所述CPU和网络通信通过网线或网卡相连，CPU和FPGA通过PCI总线相连；所述数据采集模块的数字输出端口与FPGA的数字输入端口相连，所述控制输出模块的输入端口与FPGA的模拟输出端口相连；所述控制输出模块的电压输出端口与驱动组件的电压输入端口相连，所述驱动组件的电流输出端口与盘式电机的端口相连，所述控制器通过以太网与上位机相连。
作为上述方案的进一步改进，所述数据采集模块为数字输入模块，所述控制输出模块为RS485输出模块。
本发明还公开了一种可穿戴式腰部助力外骨骼机构的控制方法，所述外骨骼机构包括机械结构、驱动组件、数据采集器以及控制器，所述机械结构包括腰部组件、两个髋关节组件、两个腿部组件，所述控制方法步骤如下：
一：采集所述夹角的角度以及产生夹角时的角加速度；
二：通过采集到的角度以及角加速度建立外骨骼的物理模型，该物理模型包括人体背部运动模型和外部骨骼背板运动模型：
所述人体背部运动模型为：
Figure BDA0002310097130000051
所述外骨骼背板运动模型为：
Figure BDA0002310097130000052
其中MP、MB分别为外部负载及穿戴者上半身的质量，α为穿戴者背部与重心线方向的夹角的角度，
Figure BDA0002310097130000053
为角速度，
Figure BDA0002310097130000054
为角加速度，lP、lB分别为外部负载及穿戴者上半身质心到盘式电机轴心的距离，FM为人体背部肌肉的输出力，F为腰部外骨骼对人上半身的作用力，d、L分别为背部肌肉输出力及外骨骼对人上半身的作用力到盘式电机轴心的距离，I为穿戴者上半身的转动惯量，Tact为盘式电机的输出力矩，B为外骨骼关节处的阻尼系数，Ie为外骨骼背部的转动惯量，g为重力常数；
三：根据预设控制率，控制盘式电机的输出力矩Tact使得人体背部肌肉的输出力FM趋于0，所述预设控制率为：
Figure BDA0002310097130000061
本发明的一种可穿戴式腰部助力外骨骼机构，主要用于辅助工人长时间弯腰搬运重物、减少工人背部肌肉的损伤等方面；本发明的腰部组件采取了可调长度板设计，使得该可穿戴式腰部助力外骨骼适用于各种体型的对象；本发明设计的腰部助力外骨骼，具有五个自由度实现机器人和人的运动自由度的充分匹配，且外骨骼大腿杆和人腿之间只在助力时接触，外骨骼不工作时，外骨骼大腿杆和人脱离，提高了腰部助力外骨骼的穿戴舒适性；本发明采用倾角传感器和加速度传感器测量外骨骼背板的角度和角加速度，各传感器采集到的信息通过力控制算法来识别穿戴者的运动意图，并且以此为根据控制髋关节处驱动电机的输出，使得人的背部肌肉的输出力趋向0，最终外骨骼实现了对人腰部的支撑，减轻了穿戴者腰部的负担，从而达到更加精确、有效、可靠的助力效果。
附图说明
图1为本发明可穿戴式腰部助力外骨骼机构的结构示意图；
图2为本发明图1的背视图；
图3为本发明可穿戴式腰部助力外骨骼机构的腰部以下结构连接示意图；
图4为本发明图3中沿连接柱中线(部分)剖视图；
图5为本发明可穿戴式腰部助力外骨骼机构的驱动组件结构示意图；
图6为本发明可穿戴式腰部助力外骨骼机构的模块示意图；
图7为本发明可穿戴式腰部助力外骨骼机构的受力示意图；
图8为本发明可穿戴式腰部助力外骨骼机构的结构示意图。
图中：1背板、2底板、3第一连接板、4第二连接板、5绑带、6纵向旋转柱、7连接柱、8第三连接板、9电机驱动器、10盘式电机、11谐波减速器、12T型轴、13大腿固定板、14外端盖子、15内端盖子、16弧形零件、17倾角传感器、18加速度传感器、19数据采集模块、20控制输出模块、21CPU、22网络通信、23FPGA、24背带。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一种可穿戴式腰部助力外骨骼机构，其包括机械结构(腰部组件、两个腿部组件和两个髋关节组件)、两个驱动组件、控制器和数据采集器，两个髋关节组件分别设置于腰部组件的对称两边，两个髋关节组件均有三个自由度，分别是屈/伸运动，外展/内收，旋内/旋外运动，腿部组件有五个自由度。两个驱动组件设置于两个髋关节组件与两个腿部组件的连接处，且两个驱动组件分别用于驱动两个腿部组件。
请参照图1-2，腰部组件包括背板1，两个底板2、两个第一连接板3、两个第二连接板4以及绑带5。背板1包括与穿戴者背部接触的正面以及与正面相对的背面；穿戴者发生倾斜时，背板1由此与重心线之间存在倾斜方向上的一个夹角；两个底板2的一端分别转动连接于背面的相对两侧上，即增设了一个外展/内收运动自由度，两个第一连接板3的一端分别与两个底板2的相对另一端转动连接，即增设了一个旋内/旋外运动自由度，使得其能够和人的髋关节以及背部的自由度进行充分匹配，具体的转动连接均可以通过配合轴承进行转动，两个第二连接板4的一端分别与两个第一连接板3的相对另一端可伸缩连接。请参照图4，可通过调节第一连接板3上的缝隙大小可以调整第一连接板3和第二连接板4配合的松紧程度，该缝隙的大小可通过调整第一连接板3和第二连接板4连接处的螺栓进行调节，松开螺栓，第二连接板4可在第一连接板3的方孔中移动，即可对第二连接板3的长度进行调节，调节到合适的长度后，上紧螺栓即可减小两者之间的间隙，增加他们之间的摩擦来进行压紧固定，进而方便腰部调节第二连接板4的伸出长度。绑带5固定在正面上，且至少一端为自由端，用于绑定在穿戴者的腰上，背板1的正面还设有背带24，用于将整个机构背在穿戴者的背部。
请参照图3和图4，两个髋关节组件均包括一个纵向旋转柱6、一个连接柱7和一个第三连接板8。纵向旋转柱6的一端与第二连接板4的相对另一端转动连接，使得髋关节组件能够在腰部组件的竖直面上进行转动，连接柱7的顶部与纵向旋转柱6的相对另一端的底部固定连接，具体可通过螺纹进行连接，连接柱7的底部开设有凹槽，第三连接板8的一端转动连接于凹槽内，这样由于第三连接板8与驱动组件连接在一起的，而驱动组件跟腿部组件也是相连，因此能够使得腿部组件有一个随第三连接板8转动而转动的能力，也可以随着髋关节组件转动而转动，这样髋关节组件就具有了三个自由度，即分别是屈/伸运动、外展/内收和旋内/旋外运动。
请参照图5，两个驱动组件分别用于驱动两个腿部组件，两个驱动组件均包括一个电机驱动器9、一个盘式电机10、一个谐波减速器11和一个T型轴12。电机驱动器9集成于盘式电机10的内部，电机驱动器9一方面用于放大控制器输出的控制信号的功率，另一方面将控制器的电压信号转化为电流信号，盘式电机10与谐波减速器11之间通过T型轴12传动连接，T型轴12的大头端与盘式电机10固定连接，其另一端固定在谐波减速器11的键槽中，谐波减速器11设置于第三连接板8的相对另一端的侧面上，谐波减速器11主要起调节运动速度与加大工作力矩也就提高负载等。
数据采集器包括倾角传感器17和加速度传感器18，倾角传感器17用于采集背板1产生夹角时的角度信号，加速度传感器18用于采集背板1产生夹角时的角加速度信号，各传感器采集到的信息通过力控制算法来识别穿戴者的运动意图，并且以此为根据控制髋关节处盘式电机10的输出，从而达到更加精确、有效、可靠的助力效果。
请参照图4和图5，两个腿部组件均包括一个大腿固定板13、一个外端盖子14和一个内端盖子15。外端盖子14与谐波减速器11的外圈钢轮相连，大腿固定板13与谐波减速器11的内圈钢轮连接，第三连接板8的相对另一侧与内端盖子15固定相连。这样盘式电机10可以控制腿部组件进行运动，通过各个部件之间的通过轴承配合转动连接，使得腿部组件具有了五个自由度，实现机器人和人的运动自由度的充分匹配，且外骨骼大腿杆和人腿之间只在助力时接触，外骨骼不工作时，外骨骼大腿杆和人脱离，提高了腰部助力外骨骼的穿戴舒适性，大腿固定板13的底部设置有与人腿相贴合的弧形零件16，必要时可通过绑带与大腿固定。
请参照图6，控制器包括运算与通信模块、数据采集模块19和控制输出模块20。运算与通信模块包括CPU21、网络通信22、FPGA23，CPU21和网络通信22通过网线或网卡相连，CPU21和FPGA23通过PCI总线相连。FPGA为现场可编程门阵列，其由逻辑单元、RAM、乘法器等硬件资源组成，是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。PCI总线是一种树型结构，并且独立于CPU总线，可以和CPU总线并行操作。数据采集模块19为数字输入模块，控制输出模块20为RS485输出模块，RS485是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准，使用该标准的数字通信网络能在远距离条件下以及电子噪声大的环境下有效传输信号。数据采集模块19的数字输出端口与FPGA23的数字输入端口相连，控制输出模块20的输入端口与FPGA23的模拟输出端口相连；控制输出模块20的电压输出端口与驱动组件的电压输入端口相连，驱动组件的电流输出端口与盘式电机10相连，控制器通过以太网与上位机相连。数据采集模块19通过加速度传感器18和倾角传感器17分别采集背板1产生夹角时的加速度和角度。运算与通信模块将加速度和角度转换为髋关节的驱动力矩。电机驱动器9将髋关节处的驱动力矩信号转化为盘式电机的驱动电流信号。
请参考图7和图8，控制器通过角度与角加速度建立腰部助力外骨骼的物理模型，其中该物理模型包括：
人体背部运动模型为：
Figure BDA0002310097130000111
外骨骼背板运动模型为：
Figure BDA0002310097130000112
其中MP、MB分别为外部负载及穿戴者上半身的质量，α为穿戴者背部与重心线方向的夹角的角度，
Figure BDA0002310097130000113
为角速度，
Figure BDA0002310097130000114
为角加速度，lP、lB分别为外部负载及穿戴者上半身质心到盘式电机10轴心的距离，FM为人体背部肌肉的输出力，F为腰部外骨骼对人上半身的作用力，d、L分别为背部肌肉输出力及外骨骼对人上半身的作用力到盘式电机10轴心的距离，I为穿戴者上半身的转动惯量，Tact为盘式电机10的输出力矩，B为外骨骼关节处的阻尼系数，Ie为外骨骼背部的转动惯量，g为重力常数。
控制器还根据预设控制率，控制盘式电机10输出力矩Tact，从而使得人的背部肌肉的输出力FM趋于0，该控制律如下：
Figure BDA0002310097130000115
本发明还公开了一种可穿戴式腰部助力外骨骼机构的控制方法，外骨骼机构包括机械结构、驱动组件、数据采集器以及控制器，机械结构包括腰部组件、两个髋关节组件、两个腿部组件，控制方法步骤如下：
一：采集夹角的角度以及产生夹角时的角加速度。
二：通过采集到的角度以及角加速度建立外骨骼的物理模型，该物理模型包括人体背部运动模型和外部骨骼背板运动模型：
人体背部运动模型为：
Figure BDA0002310097130000121
外骨骼背板运动模型为：
Figure BDA0002310097130000122
其中MP、MB分别为外部负载及穿戴者上半身的质量，α为穿戴者背部与重心线方向的夹角的角度，
Figure BDA0002310097130000123
为角速度，
Figure BDA0002310097130000124
为角加速度，lP、lB分别为外部负载及穿戴者上半身质心到盘式电机10轴心的距离，FM为人体背部肌肉的输出力，F为腰部外骨骼对人上半身的作用力，d、L分别为背部肌肉输出力及外骨骼对人上半身的作用力到盘式电机10轴心的距离，I为穿戴者上半身的转动惯量，Tact为盘式电机10的输出力矩，B为外骨骼关节处的阻尼系数，Ie为外骨骼背部的转动惯量，g为重力常数。
三：根据预设控制率，控制盘式电机10的输出力矩Tact使得人体背部肌肉的输出力FM趋于0，预设控制率为：
Figure BDA0002310097130000125
具体的，当人穿戴好腰部助力外骨骼机构时，数据采集模块19通过加速度传感器18和倾角传感器17分别采集背板1产生夹角时的加速度和角度。控制器的运算与通信模块将加速度和角度转换为髋关节的驱动力矩。电机驱动器9将髋关节处的驱动力矩信号转化为盘式电机10的驱动电流信号。盘式电机10根据电流信号的大小，实现对盘式电机10输出力矩Tact的控制，进而使得人的背部肌肉的输出力FM趋于0，最终外骨骼实现了对人腰部的支撑，减轻了穿戴者腰部的负担。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可穿戴式腰部助力外骨骼机构，其包括：
机械结构，其包括腰部组件、两个髋关节组件和两个腿部组件；两个髋关节组件分别与腰部组件连接，两个腿部组件分别设置于两个髋关节组件下方；所述腰部组件包括与穿戴者的背部相接触的背板(1)，穿戴者发生倾斜时，背板(1)由此与重心线之间存在倾斜方向上的一个夹角；
两个驱动组件，分别设置于两个髋关节组件和两个腿部组件之间，且分别用于驱动两个腿部组件；两个所述驱动组件均包括盘式电机(10)、谐波减速器(11)和T型轴(12)，盘式电机(10)与谐波减速器(11)之间通过T型轴(12)传动连接，T型轴(12)的大头端与盘式电机(10)固定连接，其另一端固定在谐波减速器(11)的键槽中，谐波减速器(11)设置于髋关节组件上；
其特征在于，所述可穿戴式腰部助力外骨骼机构还包括：
数据采集器，其用于所述夹角的角度以及产生夹角时的角加速度；以及
控制器，其根据数据采集器采集到的角度与角加速度建立外骨骼的物理模型，该物理模型包括：人体背部运动模型和外部骨骼背板运动模型：
所述人体背部运动模型为：
Figure FDA0002662099760000011
所述外骨骼背板运动模型为：
Figure FDA0002662099760000012
其中MP、MB分别为外部负载及穿戴者上半身的质量，α为穿戴者背部与重心线方向的夹角的角度，
Figure FDA0002662099760000013
为角速度，
Figure FDA0002662099760000014
为角加速度，lP、lB分别为外部负载及穿戴者上半身质心到盘式电机(10)轴心的距离，FM为人体背部肌肉的输出力，F为腰部外骨骼对人上半身的作用力，d、L分别为背部肌肉输出力及外骨骼对人上半身的作用力到盘式电机(10)轴心的距离，I为穿戴者上半身的转动惯量，Tact为盘式电机(10)的输出力矩，B为外骨骼关节处的阻尼系数，Ie为外骨骼背部的转动惯量，g为重力常数；控制器还用于根据预设控制率，控制盘式电机(10)的输出力矩Tact使得人体背部肌肉的输出力FM趋于0，所述预设控制率为：
Figure FDA0002662099760000021
2.如权利要求1所述的可穿戴式腰部助力外骨骼机构，其特征在于：所述腰部组件还包括两个底板(2)、两个第一连接板(3)、两个第二连接板(4)和绑带(5)；所述背板(1)包括与穿戴者背部接触的正面以及与所述正面相对的背面；第一个底板(2)的一端转动连接于所述背面的一侧上，第一个底板(2)的相对另一端与第一个第一连接板(3)的一端转动连接，第一个第一连接板(3)的相对另一端与第一个第二连接板(4)的一端可伸缩连接；第二个底板(2)的一端转动连接于所述背面的相对另一侧上，第二个底板(2)的相对另一端与第二个第一连接板(3)的一端转动连接，第二个第一连接板(3)的相对另一端与第二个第二连接板(4)的一端可伸缩连接；绑带(5)固定在所述正面上，且至少一端为自由端。
3.如权利要求2所述的可穿戴式腰部助力外骨骼机构，其特征在于：所述髋关节组件包括纵向旋转柱(6)、连接柱(7)和第三连接板(8)；纵向旋转柱(6)的一端与第二连接板(4)的相对另一端转动连接，连接柱(7)的顶部与纵向旋转柱(6)的相对另一端的底部固定连接，连接柱(7)的底部开设有凹槽，第三连接板(8)的一端分别转动连接于凹槽内，谐波减速器(11)设置于第三连接板(8)的相对另一端的侧面上。
4.如权利要求1所述的可穿戴式腰部助力外骨骼机构，其特征在于：所述驱动组件还包括电机驱动器(9)，电机驱动器(9)集成于盘式电机(10)的内部，电机驱动器(9)一方面用于放大控制器输出的控制信号的功率，另一方面将控制器的电压信号转化为电流信号。
5.如权利要求1所述的可穿戴式腰部助力外骨骼机构，其特征在于：所述数据采集器包括倾角传感器(17)与加速度传感器(18)，倾角传感器(17)用于所述夹角的角度，加速度传感器(18)用于采集背板(1)产生夹角时的角加速度。
6.如权利要求1所述的可穿戴式腰部助力外骨骼机构，其特征在于：所述腿部组件包括大腿固定板(13)、外端盖子(14)、内端盖子(15)，外端盖子(14)与谐波减速器(11)的外圈钢轮相连，大腿固定板(13)与谐波减速器(11)的内圈钢轮连接，第三连接板(8)的相对另一侧与内端盖子(15)固定相连。
7.如权利要求6所述的可穿戴式腰部助力外骨骼机构，其特征在于：所述大腿固定板(13)远离内端盖子(15)的一端固定连接有弧形零件(16)。
8.如权利要求1所述的可穿戴式腰部助力外骨骼机构，其特征在于：所述控制器包括运算与通信模块、数据采集模块(19)和控制输出模块(20)；所述运算与通信模块包括CPU(21)、网络通信(22)、FPGA(23)，所述CPU(21)和网络通信(22)通过网线或网卡相连，CPU(21)和FPGA(23)通过PCI总线相连；所述数据采集模块(19)的数字输出端口与FPGA(23)的数字输入端口相连，所述控制输出模块(20)的输入端口与FPGA(23)的模拟输出端口相连；所述控制输出模块(20)的电压输出端口与驱动组件的电压输入端口相连，所述驱动组件的电流输出端口与盘式电机(10)的端口相连；所述控制器通过以太网与上位机相连。
9.如权利要求8所述的可穿戴式腰部助力外骨骼机构，其特征在于：所述数据采集模块(19)为数字输入模块，所述控制输出模块(20)为RS485输出模块。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的可穿戴式腰部助力外骨骼机构的控制方法，所述外骨骼机构包括机械结构、驱动组件、数据采集器以及控制器，所述机械结构包括腰部组件、两个髋关节组件、两个腿部组件，其特征在于：所述控制方法步骤如下：
一：采集所述夹角的角度以及产生夹角时的角加速度；
二：通过采集到的角度以及角加速度建立外骨骼的物理模型，该物理模型包括人体背部运动模型和外部骨骼背板运动模型；
所述人体背部运动模型为：
Figure FDA0002662099760000041
所述外骨骼背板运动模型为：
Figure FDA0002662099760000042
其中MP、MB分别为外部负载及穿戴者上半身的质量，α为穿戴者背部与重心线方向的夹角的角度，
Figure FDA0002662099760000043
为角速度，
Figure FDA0002662099760000044
为角加速度，lP、lB分别为外部负载及穿戴者上半身质心到盘式电机(10)轴心的距离，FM为人体背部肌肉的输出力，F为腰部外骨骼对人上半身的作用力，d、L分别为背部肌肉输出力及外骨骼对人上半身的作用力到盘式电机(10)轴心的距离，I为穿戴者上半身的转动惯量，Tact为盘式电机(10)的输出力矩，B为外骨骼关节处的阻尼系数，Ie为外骨骼背部的转动惯量，g为重力常数；
三：根据预设控制率，控制盘式电机(10)的输出力矩Tact使得人体背部肌肉的输出力FM趋于0，所述预设控制率为：
Figure FDA0002662099760000045
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