CN113442114A

CN113442114A - 腰部助力外骨骼及其控制方法

Info

Publication number: CN113442114A
Application number: CN202110626775.XA
Authority: CN
Inventors: 魏巍; 林西川; 查士佳
Original assignee: Maybe Intelligent Technology Suzhou Co ltd
Current assignee: Maybe Intelligent Technology Suzhou Co ltd
Priority date: 2021-06-04
Filing date: 2021-06-04
Publication date: 2021-09-28

Abstract

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。

Description

腰部助力外骨骼及其控制方法

技术领域

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

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。

外骨骼常见于辅助人体下肢行走。例如，CN 109108954 A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刻辅助的搬运方式，由于缺乏了对人体实时的运动状态的识别和判断，没有辅助效果，限制了外骨骼系统的应用区间。

从而，现有的外骨骼辅助设备中，存在如下问题：

1)、对人体弯腰的运动状态识别准确率低，且容易存在误判，因此外骨骼系统在进行弯腰和搬运重物状态的判断时往往引入其他传感类型的判断，但缺失了对人体无搬运的弯腰或弯腰搬运重物较轻时刻的辅助，对于此类搬运，当人体处于搬运时放置重物的弯腰时，缺乏有效的辅助方式，容易对人体弯腰过程中造成损伤。

2)、现有的髋关节针对状态判别方式为判别行走状态，而弯腰状态的判别方式没有在髋关节外骨骼设备中出现，对于人体弯腰的运动状态识别缺乏。

因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种腰部助力外骨骼及其控制方法，以克服现有技术中存在的不足。

为实现上述发明目的，本发明提供一种腰部助力外骨骼控制方法，其包括如下步骤：

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。

作为本发明腰部助力外骨骼控制方法的改进，判断腰部助力外骨骼处于行走状态时：

力控制τ的计算表达式为：τ＝PD(f)+t_f+t_e(1)；

其中，PD(f)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；t_f为系统的补偿力矩；t_e为系统的模型力矩。

作为本发明腰部助力外骨骼控制方法的改进，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。

作为本发明腰部助力外骨骼控制方法的改进，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:

作为本发明腰部助力外骨骼控制方法的改进，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。

作为本发明腰部助力外骨骼控制方法的改进，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。

作为本发明腰部助力外骨骼控制方法的改进，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:τ＝PID(f)，f＝K₁(θ_now-θ_base)。

作为本发明腰部助力外骨骼控制方法的改进，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。

为实现上述发明目的，本发明提供一种腰部助力外骨骼，其按照如上所述的控制方法进行工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：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。

附图说明

图1为为本发明腰部助力外骨骼的输出法兰结构示意图。

其中，上臂杆件通过预紧螺栓与谐波减速机的输出面相连，分别运动至上述位置时，与输出固定法兰上的固定限位相连，并停止运动。在当杆件与下极限限位相差45°时，系统被设定为0°。上电时，系统会自动寻找此位置。

图2为结合人体运动角度时的腰部助力外骨骼控制方法的流程图；

图3左腿输出模组最终检测角度的数据图；

图4为右腿输出模组最终检测角度的数据图；

图5为状态识别算法识别最终准确率，其中，0为系统自动识别的直立状态；1为系统自动识别的弯腰状态；2为系统自动识别的弯腰停止状态；3为系统自动识别的弯腰起身状态。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

如图1所示，为本发明腰部助力外骨骼的输出法兰结构示意图，用于辅助下肢髋关节的运动，运动范围如图所示，为-45°～135°。并设置了机械限位,该运动范围符合人体下肢髋关节的正常运动范围，该法兰件与关节模组的谐波减速机输出主轴端相连接，通过预紧螺丝锁紧，在直立时，设定直立角度为0°，上臂输出杆件向后摆动时，控制器识别为负角度，上臂输出杆件前向摆动时，控制器识别为正角度。外骨骼的不同的运动控制方式会根据此结构件的运动角度做相应的改变。

基于此，本发明腰部助力外骨骼控制方法包括如下步骤：

具体地，本发明一实施例的腰部助力外骨骼控制方法包括如下步骤：

S1、系统上电后，主控制单元驱动关节模组寻找输出法兰面的零点，辅助人体下肢直立。

S2、节点板循环迭代各个传感器的基准值，并将其通过CAN总线送至主控制器。

S3、主控器根据输出杆的相对角度，角速度，角加速度信息，判别准则表如表1所示，判别人体是处于搬运状态的子状态或是行走状态。

S4、对于行走状态，主控制系统跟随人体下肢运动，其中力控制的计算表达式为：

T＝PD(f)+t_f+t_e(1)

式1中关节的力控制力矩主要由三部分组成，PD(f)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，PD控制器的表达式为式2,t_f为系统的补偿力矩，其表达式为3，主要补偿关节电机的摩擦力矩，摩擦项主要包括粘滞摩擦力和库伦摩擦力，粘滞摩擦力组要与系统的关节模组的运动速度相关，而库伦摩擦力主要与外骨骼系统的运动方向相关。t_e为系统的模型力矩，对于不同的系统表达式不一致，对于单连杆而言，其表达式为式4

m为下肢外骨骼杆件的质量，l为下肢外骨骼杆件的长度。

S5、对于搬运状态，进一步划分为弯腰动作，弯腰停止，携带重物起身这三个阶段，通过对输出法兰面检测的角度监测，控制系统对这三个状态进行区分，区分方式如下：

S51、对于弯腰动作和弯腰停止动作，外骨骼系统识别出人体弯腰或者停止的动作后，驱动关节电机开始工作，使外骨骼托举人体，关节输出力矩计算公式为:

S52、对于搬运起身动作，外骨骼系统识别出人体弯腰或者停止的动作后，驱动关节电机开始工作，使外骨骼托举人体，关节输出力矩计算公式为:

τ＝PID(f)(6)

f＝K₁(θ_now-θ_base)(7)

髋关节输出力矩PID控制器控制，用于控制人机交互力跟随既定值，同时人机交互力的规划值f如式7所示。

本发明设定了不同的助力上限档位，使外骨骼系统适应不同的搬运质量，对于质量较轻的重物，系统档位设定为低即可，当系统质量较重时，需将助力档位设定为高，使得人与外骨骼合作下最高可搬运40Kg的重物。

进一步地，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；

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；

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；

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。

如图2所示，结合上述人体运动角度的判断方法，本发明的腰部助力外骨骼控制方法包括：

系统上电后首先自动复位，寻找系统零点，系统零点寻找完成后，循环进入运动状态的判别，首先判断当前左右关节的角度是否存在一个关节角度小于既定阈值θ_threshold，若小于既定阈值，则将当前状态判别为行走或直立状态，此时，控制系统的力矩输出，主要保持跟随人体下肢运动。

若不满足上诉条件，则对运动状态进行进一步的判断，人机携行的外骨骼设备应该处于弯腰状态，对于其子状态的判别，进行进一步的划分：

1)、若人体的关节角速度大于既定阈值K，且为正值，则人体处于弯腰的状态，对于携带重物的弯腰动作，此时系统通过对弯腰动作的识别，给与穿戴者以弯腰时刻的托举力，保护穿戴者的腰部。

2)、若人体的关节角速度小于既定阈值|K|内，则认为此时人体处于停止状态，且此时人体不处于直立行走状态，因此人体处于弯腰停止状态。对于此类动作，外骨骼系统需要与第一类人体弯腰时动作辅助力矩类似，给与托举力，保护穿戴者的腰部。

3)、若人体的关节角度小于既定阈值-K，则认为此时，人体处于弯腰起身状态，对于此动作，穿戴者往往携带了较大的重物，需要外骨骼设备辅助，此时外骨骼系统，根据下肢关节的角度对弯腰的过程中的人机交互力矩进行动态规划，并控制输出至关节模组，辅助人体搬运重物。

若人体的动作不符合上述的所有条件，则系统判别为上一个时刻的运动状态，以保护穿戴者的安全。

本发明将人体的搬运动作化分为即定的运动状态，通过关节模组的输出法兰面检测的角度，对于搬运状态，对于往复的搬运动作。如图3、4、5所示可知，对于人体正常的动作，控制系统根据运动过程中的角度信息，准确的判断出了运动状态，且识别准确率良好，并不容易出现误触发。

本发明还提供一种腰部助力外骨骼，其按照如上所述的控制方法进行工作。

综上所述，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。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。