CN113001521A - 一种介入防护服的外骨骼辅助装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种介入防护服的外骨骼辅助装置，包括：腰托，其前侧开口；可调节固定带，其两端分别与腰托的开口两侧连接；背部支撑装置，其竖直设置，且一端与腰托的后侧铰接；一对肩部支撑板，其位于腰托上方，且对称间隔设置；背部支撑装置的另一端分别与对应肩部支撑板铰接；颈托，其设置在肩部支撑板之间，且与背部支撑装置的另一端铰接；一对手部助力臂，其分别与对应肩部支撑板铰接，用于助力手臂关节；一对腿部助力臂，其分别与腰托两侧铰接，用于助力腿部关节。本发明还提供一种介入防护服的外骨骼辅助装置的控制方法，确保使用者不会摔倒，同时能够采集佩戴防护服的使用者的运动状态，并基于BP神经网络确定下一运动状态，辅助使用者运动。

Description

一种介入防护服的外骨骼辅助装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及关节运动辅助装置技术领域，更具体的是，本发明涉及一种介入防护服的外骨骼辅助装置及其控制方法。

背景技术

大多数介入放射科医护人员每天面临着高负荷工作状态，由于职业特性，医护人员们总是需要站立式工作，穿着沉重的个人防护服(如铅衣)，进行着复杂的介入操作。与坐式工作相比，站立式工作与较高水平的颈腰痛患病率相关。这在介入放射专业更为明显：现有的临床上使用的个人防护服均是以含铅的重型防护服为主，医护人员在一天中大部分的时间是在站立时承重并反复完成介入操作过程，长期以往便产生了职业性颈部和背部疼痛疾病。研究表明颈部和腰背部疼痛的发生率会随着防护服使用时间和使用年限的增加而增加，并且是基于轴向负荷(即长时间穿着状态)、相对固定并机械的操作姿势反复增加肌肉骨骼的损伤，最终引起脊椎疾病、椎间盘疾病和各个关节疾病。

中国发明专利201910394141.9公开一种医用铅衣支撑装置，由铅衣和支撑结构构成。医生站立时，铅衣的重量压在支撑结构的支撑架和脚架上，脚架将重量压再地面上。医生上半身转身时，穿戴铅衣牵动支撑架，支撑架带动连接头绕着脚架转动，铅衣的重量始终压在脚架上。这样，由支撑结构在手术过程中对铅衣的重量进行支撑，减轻医生承受重量，缓解医生的疲劳。

虽然上述技术方案或多或少解决了介入防护服负重的问题，但依然存在着如下的缺陷：

1、虽然支撑结构在手术过程中对铅衣的重量进行支撑，减轻医生承受重量，但与之伴随着的是医务人员行走不便活动受限的问题。

2、在活动受限的基础上，还存在着医务人员的活动方式单一的问题，缺乏在不同的体位下转换的技术方案，使医务人员难以以更好的状态投入工作。

发明内容

本发明的一个目的是设计开发了一种介入防护服的外骨骼辅助装置，能够对使用者的各个关节进行助力，既减轻医生的承受重量，也不限制医务人员的活动。

本发明的另一个目的是设计开发了一种介入防护服的外骨骼辅助装置的控制方法，能够采集佩戴防护服的使用者的运动状态，并基于BP神经网络确定下一运动状态，辅助使用者运动。

本发明还能对下一运动状态进行校正，提高助力精度，在保证准确的操作过程的情况下，缓解医生的疲劳感。

本发明提供的技术方案为：

一种介入防护服的外骨骼辅助装置，包括：

腰托，其为圆环状结构，且前侧开口；

可调节固定带，其两端分别与所述腰托的开口两侧连接，用于固定腰部；

背部支撑装置，其竖直设置，且一端与所述腰托的后侧铰接；

一对肩部支撑板，其位于所述腰托上方，且对称间隔设置；

其中，所述背部支撑装置的另一端分别与对应所述肩部支撑板铰接；

颈托，其设置在所述肩部支撑板之间，且与所述背部支撑装置的另一端铰接；

一对手部助力臂，其分别与对应所述肩部支撑板铰接，用于助力手臂关节；

一对腿部助力臂，其分别与所述腰托两侧铰接，用于助力腿部关节。

优选的是，所述背部支撑装置包括：

一对滑扣，其为环状结构，且可滑动套设置在腰托上；

第一铰接臂；以及

第二铰接臂，其中部与所述第一铰接臂的中部交叉铰接；

其中，所述第一铰接臂和所述第二铰接臂的一端分别与对应所述滑扣铰接，另一端分别与对应所述肩部支撑板铰接；

可伸缩支撑臂，其一端与所述第一铰接臂和所述第二铰接臂的中部铰接，另一端与所述颈托铰接。

优选的是，所述手部助力臂包括：

第一臂关节，其与对应所述肩部支撑板铰接，用于助力上臂运动；

上臂固定带，其设置在所述第一臂关节上，用于固定上臂；

第二臂关节，其与所述第一臂关节铰接，用于助力下臂运动；

下臂固定带，其设置在所述第二臂关节上，用于固定下臂；

多向运动电机，其连接所述第一臂关节和所述肩部支撑板，用于驱动所述第一臂关节多方向运动；

转动电机，其连接所述第二臂关节和所述第一臂关节，用于驱动所述第二臂关节多方向运动。

优选的是，所述腿部助力臂包括：

第一腿关节，其与所述腰托铰接，用于助力大腿运动；

大腿固定带，其设置在所述第一腿关节上，用于固定大腿；

第二腿关节，其与所述第一腿关节铰接，用于助力小腿运动；

小腿固定带，其设置在所述第二腿关节上，用于固定小腿；

脚托，其与所述第二腿关节铰接，用于助力脚部运动；

第一旋转电机，其连接所述腰托和所述第一腿关节，用于驱动所述第一腿关节转动；

第二旋转电机，其连接所述第一腿关节和所述第二腿关节，用于驱动所述第二腿关节转动；

第三旋转电机，其连接所述第二腿关节和所述脚托，用于驱动所述脚托转动。

优选的是，还包括：

显示屏，其设置在所述手部助力臂上；

多个角度传感器，其分别设置在各个关节处，用于检测各个关节的运动角度；

多个位移传感器，其分别设置在各个关节处，用于检测各个关节的运动距离；

控制器，其内部设置有稳态陀螺仪，且与所述角度传感器、位移传感器、第一多向运动电机、第二多向运动电机、第一旋转电机、第二旋转电机和第三旋转电机连接，用于接收所述角度传感器和位移传感器的检测数据，并控制所述多向运动电机、转动电机、第一旋转电机、第二旋转电机和第三旋转电机工作。

一种介入防护服的外骨骼辅助装置的控制方法，检测佩戴防护服的使用者的运动状态，并基于BP神经网络辅助使用者运动，具体包括如下步骤：

步骤一、采集并输入T₀时间内使用者的n个运动状态；

其中，采集间隔时间为T_t，所述运动状态包括手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托的运动角度和运动距离；

步骤二、依次将手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托的运动角度和运动距离进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层神经元向量x＝ {x₁,x₂,x₃,x₄,x₅}；其中，x₁为第一臂关节的运动状态系数，x₂为第一臂关节的运动状态系数，x₃为第一腿关节的运动状态系数，x₄为第二腿关节的运动状态系数，x₅为脚托的运动状态系数；

其中，所述运动状态系数x_j＝{x_1,j,x_2,j,…,x_n,j}，j＝1,2,3,4,5，x_n,j为第 n个采集状态时的运动状态系数；

所述第n个采集状态时的运动状态系数

为第n个采集状态时左肢的运动状态系数，

为第n个采集状态时右肢的运动状态系数；

所述第n个采集状态时左、右肢的运动状态系数

为第n个采集状态时的角度运动状态系数，

为第n个采集状态时的距离运动状态系数；

所述第n个采集状态时的角度运动状态系数

所述第n个采集状态时的角度运动状态系数

x为冠状轴方向，y为矢状轴方向，z为垂直轴方向；

步骤三、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝ {y₁,y₂,…,y_m}；m为中间层节点个数；

步骤四、得到输出层神经元向量o＝{o₁,o₂,o₃,o₄,o₅}；其中，o₁为第n+1 个状态时第一臂关节的运动状态系数，o₂为第n+1个状态时第二臂关节的运动状态系数，o₃为第n+1个状态时第一腿关节的运动状态系数，o₄为第n+1 个状态时第二腿关节的运动状态系数，o₅为第n+1个状态时脚托的运动状态系数，使

X_n+1,j＝o_jX_jmax，

其中，

o_j为第n+1个状态时关节、脚托的运动状态系数，包括角度运动状态系数和距离运动状态系数，X_jmax为对应关节、脚托运动状态的最大值。

优选的是，在所述步骤二中，将手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托的运动角度和运动距离进行规格化通过：

其中，x_n,j为第n个采集状态时的输入层向量中的参数，X_n,j分别为第n个采集状态时的测量参数：手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托的运动角度和运动距离，j＝1,2,3,4,5；X_jmax和X_jmin分别为对应关节、脚托运动状态的最大值和最小值。

优选的是，还包括对所述输出层神经元向量进行校正，使得

o＝ε·{o₁,o₂,o₃,o₄,o₅}；

所述校正系数ε满足：

其中，y₀为设定工作经验年限，y为使用者的工作经验年限，M_p为使用者体重，M_c为铅衣的重量，N₀为设定标准值，T为使用者的工作时间，f(T/T_t)＝0 时，使用者的工作时间较短，手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托跟随使用者的运动状态无阻力运动，不进行辅助助力。

优选的是，在所述步骤一中，初始运行状态下，所述手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托跟随使用者的运动状态无阻力运动；

在所述步骤三中，所述中间层节点个数满足：

优选的是，所述T₀＝30min；T_t＝5min。

本发明所述的有益效果：

(1)本发明设计开发的介入防护服的外骨骼辅助装置，能够对使用者的各个关节进行助力，既减轻医生的承受重量，也不限制医务人员的活动，并能良好的维持使用人的平衡，不会在负重的情况下摔倒。

(2)本发明设计开发的介入防护服的外骨骼辅助装置的控制方法，能够采集佩戴防护服的使用者的运动状态，并基于BP神经网络确定下一运动状态，辅助使用者运动；本发明还能对下一运动状态进行校正，提高助力精度，在保证准确的操作过程的情况下，缓解医生的疲劳感。

附图说明

图1为本发明所述介入防护服的外骨骼辅助装置的结构示意图。

图2为本发明所述介入防护服的外骨骼辅助装置的结构示意图。

图3为本发明所述介入防护服的外骨骼辅助装置的后视结构示意图。

图4为本发明所述介入防护服的外骨骼辅助装置的正视结构示意图。

图5为本发明所述介入防护服的外骨骼辅助装置的侧视结构示意图。

图6为本发明所述介入防护服的外骨骼辅助装置的俯视结构示意图。

附图标记：

100、腰托；110、开口110；120、可调节固定带；200背部支撑装置；210、滑扣；220、第一铰接臂；230、第二铰接臂；240、可伸缩支撑臂；300、肩部支撑板；400、颈托；500、手部助力臂；510、第一臂关节；511、多向运动电机；512、上臂固定带；520、第二臂关节；521、转动电机；522、下臂固定带；600、腿部助力臂；610、第一腿关节；611、第一旋转电机；612、大腿固定带；620、第二腿关节；621、第二旋转电机；622、小腿固定带；630、脚托；631、第三旋转电机；632、脚部固定带；700、显示屏。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再此阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。

如图1-5所示，本发明提供一种介入防护服的外骨骼辅助装置，包括腰托 100，其为圆环状结构，且前侧开口110，便于穿着，以支撑身体。在前侧开口110处设置有可调节固定带120，用于固定腰部，通常使用尼龙袋束缚，以适配不同体型人群。在腰托110的后侧竖直铰接设置有背部支撑装置200，以支撑使用者的上半身，即腰部和肩部以及头部。在腰托100的上方对称间隔设置一对肩部支撑板300，所述的背部支撑装置300的上端分别与对应肩部支撑板300铰接。在肩部支撑板300之间设置有颈托400，其同样与背部支撑装置300的上端铰接，用于实现围脖与防护头盔承重。与肩部支撑板300一一对应分别铰接设置有手部助力臂500，用于助力手臂关节。在腰托100的两侧铰接设置有腿部助力臂600，用于助力腿部关节。

本实施例中，所述的背部支撑装置200包括一对滑扣210，其为环状结构，且可滑动套设置在腰托100上。中部交叉铰接的第一铰接臂220和第二铰接臂230，第一铰接臂220和第二铰接臂230的一端分别与对应滑扣210铰接，另一端分别与对应肩部支撑板300铰接，通过调节第一铰接臂220和第二铰接臂230的交叉角度调节背部支撑装置200的高度，以适应不同身高的使用者。在颈托400和背部支撑装置200之间还连接有可伸缩支撑臂240，其一端与第一铰接臂220和第二铰接臂230的中部铰接，另一端与颈托400铰接，通过调节可伸缩支撑臂240的长度调节颈托400对围脖与防护头盔的支撑效果。

本实施例中，所述的手部助力臂500包括第一臂关节510，其与对应肩部支撑板300铰接，用于助力上臂运动，第一臂关节510和肩部支撑板300之间连接有多向运动电机511，用于驱动第一臂关节510多方向运动。并且，在第一臂关节510上设置有上臂固定带512，用于固定上臂。与第一臂关节510 铰接设置有第二臂关节520，用于助力下臂运动；第一臂关节510和第二臂关节520之间连接有转动电机521，用于驱动所述第二臂关节多方向运动。在第二臂关节520上设置有下臂固定带522，用于固定下臂。

本实施例中，所述的腿部助力臂600包括第一腿关节610，其与腰托100 的侧部铰接，用于助力大腿运动，腰托100和第一腿关节610之间连接有第一旋转电机611，用于驱动第一腿关节610转动，并且在第一腿关节610上设置有大腿固定带612，用于固定大腿。与第一腿关节610铰接设置有第二腿关节620，用于助力小腿运动。第一腿关节610和第二腿关节620之间连接有第二旋转电机621，用于驱动第二腿关节620转动。在第二腿关节620上设置有小腿固定带622，用于固定小腿。与第二腿关节620铰接设置有脚托630，用于助力脚部运动。第二腿关节620和脚托630之间连接有第三旋转电机631，用于驱动脚托630转动，在脚托630上设置有脚部固定带632，用于固定脚部。

本实施例中，还包括：显示屏700，其设置在任意一个手部助力臂500上，使得使用者可以主动关闭辅助系统，或者启动远程连接，与更有经验的医生沟通，指导其进行下一步操作。在各个关节和脚托处分别设置有角度传感器，用于检测各个关节、脚托的运动角度；同时，各个关节和脚托处还分别设置有位移传感器，用于检测各个关节的运动距离，以实现使用者的整个运动状态的检测。控制器，其内部设置有稳态陀螺仪，且与角度传感器、位移传感器、多向运动电机、转动电机、第一旋转电机、第二旋转电机和第三旋转电机连接，用于接收角度传感器和位移传感器的检测数据，并控制第一多向运动电机、第二多向运动电机、第一旋转电机、第二旋转电机和第三旋转电机工作，稳态陀螺仪的存在能够保证控制器输出的数据使得整个辅助装置的辅助过程保持平衡稳定状态，即保证控制器输出的数据是经过稳态校正的，在辅助过程中确保使用者不会摔倒。

本发明设计开发的介入防护服的外骨骼辅助装置，能够对使用者的各个关节进行助力，既减轻医生的承受重量，也不限制医务人员的活动。

本发明还提供一种介入防护服的外骨骼辅助装置的控制方法，检测佩戴防护服的使用者的运动状态，并基于BP神经网络辅助使用者运动，具体包括如下步骤：

步骤一、建立BP神经网络模型；

本发明采用的BP网络体系结构由三层组成，第一层为输入层，共w个节点，对应表示辅助系统的工作状态的w个检测信号，这些信号参数由数据预处理模块给出。第二层为中间层，共m个节点，由网络的训练过程以自适应的方式确定。第三层为输出层，共p个节点，由系统实际需要输出的响应确定。

该网络的数学模型为：

输入层向量：x＝(x₁,x₂,…,x_w)^T

中间层向量：y＝(y₁,y₂,…,y_m)^T

输出层向量：z＝(z₁,z₂,…,z_p)^T

本发明中，输入层节点数为w＝5，输出层节点数为p＝5。隐藏层节点数m由下式估算得出：

本实施例中，T₀＝30min；T_t＝5min。当然可以改变T₀和T_t的设置，T_t的值越小，输出的结果精确度越高。

主要是采集并输入T₀时间内使用者的n个运动状态；

其中，采集间隔时间为T_t，所述运动状态包括手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托的运动角度和运动距离；

输入的5个参数为：x₁为第一臂关节的运动状态系数，x₂为第一臂关节的运动状态系数，x₃为第一腿关节的运动状态系数，x₄为第二腿关节的运动状态系数，x₅为脚托的运动状态系数；

其中，所述运动状态系数x_j＝{x_1,j,x_2,j,…,x_n,j}，j＝1,2,3,4,5，x_n,j为第 n个采集状态时的运动状态系数；

所述第n个采集状态时的运动状态系数

为第n个采集状态时左肢的运动状态系数，

为第n个采集状态时右肢的运动状态系数；

所述第n个采集状态时左、右肢的运动状态系数

为第n个采集状态时的角度运动状态系数，

为第n个采集状态时的距离运动状态系数；

所述第n个采集状态时的角度运动状态系数

所述第n个采集状态时的角度运动状态系数

x为冠状轴方向，y为矢状轴方向，z为垂直轴方向；

由于传感器获取的数据属于不同的物理量，其量纲各不相同。因此，在数据输入神经网络之前，需要将数据规格化为0-1之间的数。

具体而言，将手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托的运动角度和运动距离进行规格化，主要通过：

其中，x_n,j为第n个采集状态时的输入层向量中的参数，X_n,j分别为第n个采集状态时的测量参数：手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托的运动角度和运动距离，j＝1,2,3,4,5；X_jmax和X_jmin分别为对应关节、脚托运动状态的最大值和最小值。

输出信号的5个参数分别表示为：o₁为第n+1个状态时第一臂关节的运动状态系数，o₂为第n+1个状态时第二臂关节的运动状态系数，o₃为第n+1 个状态时第一腿关节的运动状态系数，o₄为第n+1个状态时第二腿关节的运动状态系数，o₅为第n+1个状态时脚托的运动状态系数，使

X_n+1,j＝o_jX_jmax，

其中，

o_j为第n+1个状态时关节、脚托的运动状态系数，包括角度运动状态系数和距离运动状态系数，X_jmax为对应关节、脚托运动状态的最大值。

第n+1个状态时左、右肢的第一臂关节的运动状态系数o₁表示为第n+1 个状态时的左、右肢的第一臂关节的运动角度和运动距离与该关节能实际运动的最大角度、最大距离之比，即n个运动状态采集完毕后，采集到的运动状态为

通过BP神经网络输出第n+ 1个状态时左、右肢的第一臂关节的运动状态系数o₁后，控制第n+1个状态为

使其满足X_n+1,1＝o₁X_1max；

第n+1个状态时左、右肢的第二臂关节的运动状态系数o₂表示为第n+1 个状态时的左、右肢的第二臂关节的运动角度和运动距离与该关节能实际运动的最大角度、最大距离之比，即n个运动状态采集完毕后，采集到的运动状态为

通过BP神经网络输出第n+ 1个状态时左、右肢的第二臂关节的运动状态系数o₂后，控制第n+1个状态为

使其满足X_n+1,2＝o₂X_2max；

第n+1个状态时左、右肢的第一腿关节的运动状态系数o₃表示为第n+1 个状态时的左、右肢的第一腿关节的运动角度和运动距离与该关节能实际运动的最大角度、最大距离之比，即n个运动状态采集完毕后，采集到的运动状态为

通过BP神经网络输出第n+ 1个状态时左、右肢的第一腿关节的运动状态系数o₃后，控制第n+1个状态为

使其满足X_n+1,3＝o₃X_3max；

第n+1个状态时左、右肢的第二腿关节的运动状态系数o₄表示为第n+1 个状态时的左、右肢的第二腿关节的运动角度和运动距离与该关节能实际运动的最大角度、最大距离之比，即n个运动状态采集完毕后，采集到的运动状态为

通过BP神经网络输出第n+ 1个状态时左、右肢的第二腿关节的运动状态系数o₄后，控制第n+1个状态为

使其满足X_n+1,4＝o₄X_4max；

第n+1个状态时左、右肢的脚托的运动状态系数o₅表示为第n+1个状态时的左、右肢的脚托的运动角度和运动距离与该关节能实际运动的最大角度、最大距离之比，即n个运动状态采集完毕后，采集到的运动状态为

通过BP神经网络输出第n+1个状态时左、右肢的脚托的运动状态系数o₅后，控制第n+1个状态为

使其满足X_n+1,5＝o₅X_5max。

步骤二：进行BP神经网络的训练。

建立好BP神经网络节点模型后，即可进行BP神经网络的训练。根据产品的经验数据获取训练的样本，并给定输入节点i和隐含层节点j之间的连接权值w_ij，中间层节点j和输出层节点k之间的连接权值w_jk，中间层节点j的阈值θ_j，输出层节点k的阈值w_ij、w_jk、θ_j、θ_k均为-1到1之间的随机数。

在训练过程中，不断修正w_ij和w_jk的值，直至系统误差小于等于期望误差时，完成神经网络的训练过程。

本实施例中，当T₀＝30min；T_t＝5min时，每一组数据中的，输入的样本数量x_i为420个，输出样本数量o_i为60个，中间层节点数为160个。输入与中间层的连接权值为W_ij为67200个，阈值θ_k为160个，中间层与输出层的连接权值W_jk为9600个，阈值θ_j为60个，期望误差为60个。

由于每一组的数量均非常庞大，现给出了一组数据中的部分值，如表1 所示。

表1训练过程各节点值

步骤三、采集数据运行参数输入神经网络得到调控系数；

训练好的人工神经网络固化在芯片之中，使硬件电路具备预测和智能决策功能，从而形成智能硬件。智能硬件加电启动后，外骨骼辅助装置开始工作，初始运行状态下，手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托跟随使用者的运动状态无阻力运动；

采集并输入T₀时间内使用者的n个运动状态；

其中，采集间隔时间为T_t，所述运动状态包括手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托的运动角度和运动距离；

依次将手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托的运动角度和运动距离进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层神经元向量x＝ {x₁,x₂,x₃,x₄,x₅}；

步骤四：得到输出向量o＝{o₁,o₂,O₃,O₄,O₅}后，即可获得第n+1个状态时各个关节、脚托的运动状态系数，使得X_n+1,j＝o_jX_jmax。

本实施例中，还包括对所述输出层神经元向量进行校正，使得

o＝ε·{o₁,o₂,o₃,o₄,o₅}；

所述校正系数ε满足：

其中，y₀为设定工作经验年限，y为使用者的工作经验年限，M_p为使用者体重，M_c为铅衣的重量，N₀为设定标准值，T为使用者的工作时间，f(T/T_t)＝0 时，使用者的工作时间较短，手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托跟随使用者的运动状态无阻力运动，不进行辅助助力。

本发明设计开发的介入防护服的外骨骼辅助装置的控制方法，能够采集佩戴防护服的使用者的运动状态，并基于BP神经网络确定下一运动状态，辅助使用者运动；本发明还能对下一运动状态进行校正，提高助力精度，在保证准确的操作过程的情况下，缓解医生的疲劳感。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种介入防护服的外骨骼辅助装置，其特征在于，包括：

腰托，其为圆环状结构，且前侧开口；

可调节固定带，其两端分别与所述腰托的开口两侧连接，用于固定腰部；

背部支撑装置，其竖直设置，且一端与所述腰托的后侧铰接；

一对肩部支撑板，其位于所述腰托上方，且对称间隔设置；

其中，所述背部支撑装置的另一端分别与对应所述肩部支撑板铰接；

颈托，其设置在所述肩部支撑板之间，且与所述背部支撑装置的另一端铰接；

一对手部助力臂，其分别与对应所述肩部支撑板铰接，用于助力手臂关节；

一对腿部助力臂，其分别与所述腰托两侧铰接，用于助力腿部关节。

2.如权利要求1所述的介入防护服的外骨骼辅助装置，其特征在于，所述背部支撑装置包括：

一对滑扣，其为环状结构，且可滑动套设置在腰托上；

第一铰接臂；以及

第二铰接臂，其中部与所述第一铰接臂的中部交叉铰接；

其中，所述第一铰接臂和所述第二铰接臂的一端分别与对应所述滑扣铰接，另一端分别与对应所述肩部支撑板铰接；

可伸缩支撑臂，其一端与所述第一铰接臂和所述第二铰接臂的中部铰接，另一端与所述颈托铰接。

3.如权利要求1或2所述的介入防护服的外骨骼辅助装置，其特征在于，所述手部助力臂包括：

第一臂关节，其与对应所述肩部支撑板铰接，用于助力上臂运动；

上臂固定带，其设置在所述第一臂关节上，用于固定上臂；

第二臂关节，其与所述第一臂关节铰接，用于助力下臂运动；

下臂固定带，其设置在所述第二臂关节上，用于固定下臂；

多向运动电机，其连接所述第一臂关节和所述肩部支撑板，用于驱动所述第一臂关节多方向运动；

转动电机，其连接所述第二臂关节和所述第一臂关节，用于驱动所述第二臂关节运动。

4.如权利要求3所述的介入防护服的外骨骼辅助装置，其特征在于，所述腿部助力臂包括：

第一腿关节，其与所述腰托铰接，用于助力大腿运动；

大腿固定带，其设置在所述第一腿关节上，用于固定大腿；

第二腿关节，其与所述第一腿关节铰接，用于助力小腿运动；

小腿固定带，其设置在所述第二腿关节上，用于固定小腿；

脚托，其与所述第二腿关节铰接，用于助力脚部运动；

第一旋转电机，其连接所述腰托和所述第一腿关节，用于驱动所述第一腿关节转动；

第二旋转电机，其连接所述第一腿关节和所述第二腿关节，用于驱动所述第二腿关节转动；

第三旋转电机，其连接所述第二腿关节和所述脚托，用于驱动所述脚托转动。

5.如权利要求4所述的介入防护服的外骨骼辅助装置，其特征在于，还包括：

显示屏，其设置在所述手部助力臂上；

多个角度传感器，其分别设置在各个关节处，用于检测各个关节的运动角度；

多个位移传感器，其分别设置在各个关节处，用于检测各个关节的运动距离；

控制器，其内部设置有稳态陀螺仪，且与所述角度传感器、位移传感器、第一多向运动电机、第二多向运动电机、第一旋转电机、第二旋转电机和第三旋转电机连接，用于接收所述角度传感器和位移传感器的检测数据，并控制所述多向运动电机、转动电机、第一旋转电机、第二旋转电机和第三旋转电机工作。

6.一种介入防护服的外骨骼辅助装置的控制方法，其特征在于，检测佩戴防护服的使用者的运动状态，并基于BP神经网络辅助使用者运动，具体包括如下步骤：

步骤一、采集并输入T₀时间内使用者的n个运动状态；

其中，采集间隔时间为T_t，所述运动状态包括手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托的运动角度和运动距离；

步骤二、依次将手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托的运动角度和运动距离进行规格化，确定三层BP神经网络的输入层神经元向量x＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅}；其中，x₁为第一臂关节的运动状态系数，x₂为第一臂关节的运动状态系数，x₃为第一腿关节的运动状态系数，x₄为第二腿关节的运动状态系数，x₅为脚托的运动状态系数；

其中，所述运动状态系数x_j＝{x_1,j,x_2,j,…,x_n,j}，j＝1,2,3,4,5，x_n,j为第n个采集状态时的运动状态系数；

所述第n个采集状态时的运动状态系数

为第n个采集状态时左肢的运动状态系数，

为第n个采集状态时右肢的运动状态系数；

所述第n个采集状态时左、右肢的运动状态系数

为第n个采集状态时的角度运动状态系数，

为第n个采集状态时的距离运动状态系数；

所述第n个采集状态时的角度运动状态系数

所述第n个采集状态时的角度运动状态系数

x为冠状轴方向，y为矢状轴方向，z为垂直轴方向；

步骤三、所述输入层向量映射到中间层，所述中间层向量y＝{y₁,y₂,…,y_m}；m为中间层节点个数；

步骤四、得到输出层神经元向量o＝{o₁,o₂,o₃,o₄,o₅}；其中，o₁为第n+1个状态时第一臂关节的运动状态系数，o₂为第n+1个状态时第二臂关节的运动状态系数，o₃为第n+1个状态时第一腿关节的运动状态系数，o₄为第n+1个状态时第二腿关节的运动状态系数，o₅为第n+1个状态时脚托的运动状态系数，使

X_n+1,j＝o_jX_jmax，

其中，

o_j为第n+1个状态时关节、脚托的运动状态系数，包括角度运动状态系数和距离运动状态系数，X_jmax为对应关节、脚托运动状态的最大值。

7.如权利要求6所述的介入防护服的外骨骼辅助装置的控制方法，其特征在于，在所述步骤二中，将手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托的运动角度和运动距离进行规格化通过：

其中，x_n,j为第n个采集状态时的输入层向量中的参数，X_n,j分别为第n个采集状态时的测量参数：手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托的运动角度和运动距离，j＝1,2,3,4,5；X_jmax和X_jmin分别为对应关节、脚托运动状态的最大值和最小值。

8.如权利要求6或7所述的介入防护服的外骨骼辅助装置的控制方法，其特征在于，还包括对所述输出层神经元向量进行校正，使得

o＝ε·{O₁,O₂,O₃,O₄,O₅}；

所述校正系数ε满足：

其中，y₀为设定工作经验年限，y为使用者的工作经验年限，M_p为使用者体重，M_c为铅衣的重量，N₀为设定标准值，T为使用者的工作时间，f(T/T_t)＝0时，使用者的工作时间较短，手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托跟随使用者的运动状态无阻力运动，不进行辅助助力。

9.如权利要求8所述的介入防护服的外骨骼辅助装置的控制方法，其特征在于，在所述步骤一中，初始运行状态下，所述手部助力臂和腿部助力臂的各个关节、脚托跟随使用者的运动状态无阻力运动；

在所述步骤三中，所述中间层节点个数满足：

10.如权利要求9所述的介入防护服的外骨骼辅助装置的控制方法，其特征在于，所述T₀＝30min；T_t＝5min。

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