CN115741637A - 一种髋关节外骨骼搬抬与行走助力混合控制方法 - Google Patents

Abstract

一种髋关节外骨骼搬抬与行走助力混合控制方法，包括：S1、利用髋关节外骨骼左右两侧的角度和角速度传感器得到左右髋关节的角度和角速度，基于左右髋关节的角度确定第一联动状态变量x以及第二联动状态变量y；S2、基于两个联动状态变量x、y确定穿戴者的运动模式，所述运动模式包括行走运动和搬抬运动；S3、根据穿戴者所处的行走运动或搬抬运动模式，助力控制器控制外骨骼进入相应左右髋关节助力状态，根据左右髋关节角速度，助力控制器对左右髋关节施加辅助力。本发明可以对行走与弯腰搬抬两种运动模式进行有效识别，根据运动模式对髋关节进行相应的助力，提升了助力效率，降低了搬运者的体能消耗。

Description

一种髋关节外骨骼搬抬与行走助力混合控制方法

技术领域

本发明涉及外骨骼控制与感知识别技术领域，特别涉及一种髋关节外骨骼搬抬与行走助力混合控制方法。

背景技术

研究表明，人在搬抬重物的过程中所需要的力大部分来自于肌肉，并且尤以背部竖脊肌产生的力最大。搬抬重物产生的躯干弯曲/伸展运动包括腰椎弯曲/伸展运动和髋部弯曲/伸展运动。在搬抬过程中对人体的腰部施加正向的辅助扭矩，可以使腰部肌肉的力减小20％～30％，并且这种助力方式的力矩平衡原理经过数学证明是有效的。现有基于腰部助力方式的个人提升装置(PLAD)基本上都是在负载搬抬过程中对穿戴者的髋关节位置施加辅助扭矩，以期降低腰部肌肉的力，尽管这些外骨骼按照驱动形式来区分有主动与被动两种类型。虽然重物搬抬技术根据腰椎末端的屈曲程度可以划分为弯腰、停止和介于两者之间，但是得益于人体搬抬运动动作简单，搬抬助力外骨骼的控制难点主要体现在人的搬抬过程划分以及搬抬意图识别两个方面。通过对人体躯干的姿态、以及髋关节角度分析设立有限状态机，并对搬抬过程中的事件例如搬抬、可能搬抬、抓取、半蹲等事件按照既定的转换规则进行离散检测。搬抬重物助力起始点的确定即搬抬意图可以通过生理信号(手臂肌电信号)以及机械电信号(指端压力信号、关节角度)等进行实时检测。

在基于髋关节行走助力的研究中，研究人员通过在人体髋关节位置布置机械辅助装置，对人体髋关节施加辅助扭矩，通常能将人行走过程中的能量代谢降低4％～21％。在控制策略与控制方法的选择上，有研究者使用了自适应振荡器的方法，步态相位和参数(例如步态周期，步行速度、腿部摆动的助力时间)由自适应振荡器根据反馈输入进行连续估计，然后控制器再根据控制目标产生辅助扭矩；在基于有限状态机的方法中，步态事件，如脚撞击/脚尖离开(或站立/摆动阶段)由有限状态机结合转换规则离散检测，控制器再根据不同的运动事件进行控制。

虽然以上两种不同类型的外骨骼：髋关节行走助力外骨骼与个人搬抬助力装置的应用场景不同，但是两者在机械构型与驱动器的配置方面具有很高的相似度，甚至在设计之初可以进行通用性考量。首先两者的驱动器都配置在髋关节附近，再者两者的机械构型都包含腿部与腰部的绑缚装置，最大的区别在于个人搬抬助力装置增加了连接至背部的柔性支撑架，将施加在髋关节位置的辅助扭矩转换成腰部的辅助扭矩。在一款搬抬助力外骨骼上验证了一种混合控制算法，实现了搬抬主动助力与行走运动模式下的零力矩跟随控制。但是目前还没有类似的研究将两者的助力功能集合在一款复合型髋关节外骨骼上面，并为其设计一种面向搬抬与行走全过程助力的混合控制策略。

发明内容

本发明提出一种髋关节外骨骼搬抬与行走助力混合控制方法，应用于直立行走与搬抬两种运动模式，解决行走与搬抬全过程连续助力的技术问题。

本发明提出一种髋关节外骨骼搬抬与行走助力混合控制方法，包括：S1、利用髋关节外骨骼左右两侧的角度和角速度传感器得到左右髋关节的角度和角速度，基于左右髋关节的角度确定第一联动状态变量x以及第二联动状态变量y；S2、基于第一联动状态变量x以及第二联动状态变量y确定穿戴者的运动模式，所述运动模式包括行走运动和搬抬运动；S3、当穿戴者进行行走运动或搬抬运动时，助力控制器控制外骨骼进入相应左右髋关节助力状态，根据左右髋关节的角速度，助力控制器对左右髋关节施加辅助力。

进一步的，S1中确定所述第一联动状态变量x以及第二联动状态变量y，具体为：

x＝sin(θ_L)-sin(θ_R)

y＝[sin(θ_L)-sin(θ_R)]+K_p(θ_L+θ_R)

其中，θ_L代表运动过程中外骨骼左髋关节转动角度，θ_R代表运动过程中外骨骼右髋关节转动角度，K_p为比例系数。

进一步的，S2中，基于第一联动状态变量x以及第二联动状态变量y确定穿戴者的运动模式，进一步包括：当所述第一联动状态变量x小于指定值，且第二联动状态变量y正向增长时，判定穿戴者做出弯腰动作，其运动模式为搬抬运动；当所述第一联动状态变量x进行周期变化时，判定穿戴者的运动模式为行走运动。

进一步的，S3中，当穿戴者进行行走运动时，根据左右髋关节的角速度，所述助力控制器对左右髋关节施加辅助力，具体包括：

首先基于第一联动状态变量x和左、右髋关节预助力阈值判断助力器的助力状态：

当第一联动状态变量x小于左髋关节预助力阈值V_{Left_HIP_Pre_Area}时，助力控制器进入左髋关节预助力状态；在左髋关节预助力状态中，若左髋关节角速度的方向为正向并大于摆动态助力阈值时，助力控制器控制外骨骼进入左髋关节助力状态，进行左髋关节前向摆动助力；

当第一联动状态变量x大于右髋关节预助力阈值V_{Right_HIP_Pre_Area}时，助力控制器进入右髋关节预助力状态；在右髋关节预助力状态中，若右髋关节角速度的方向为正向并大于摆动态助力阈值时，助力控制器控制外骨骼进入右髋关节助力状态，进行右髋关前向摆动助力。

进一步的，S3中当穿戴者进行行走运动时，所述左髋关节预助力状态阈值V_{Left_HIP_Pre_Area}和右髋关节预助力状态阈值V_{Right_HIP_Pre_Area}的确定方式如下：

其中V_Peak表示第一联动状态变量x的波峰值；V_Through表示第一联动状态变量x的波谷值，P为一个百分比系数。

进一步的，S3中，当穿戴者进行搬抬运动时，根据左右髋关节角速度，助力控制器对左右髋关节施加辅助力，具体包括：助力控制器实时获取所述传感器检测左右髋关节运动的角速度；

当检测到左右髋关节角速度小于搬抬助力启动角速度阈值时，助力控制器控制外骨骼进入搬抬助力状态，助力控制器对左右髋关节施加辅助力；

在搬抬助力状态中，当第二联动状态变量y等于0时，退出搬抬助力。

进一步的，S3中所述助力控制器对左右髋关节施加辅助力，具体包括：

利用左右髋关节的驱动电机输出端的扭矩传感器实时获取穿戴者与外骨骼之间的人机交互力F_HE，助力控制器根据穿戴者的行走运动或搬抬运动状态确定目标人机交互力F_d，将目标人机交互力F_d与人机交互力F_HE作差得到力偏差值F_e，根据所述力偏差值F_e确定外骨骼电机驱动器的驱动电流值I_t，电机驱动器按照所述驱动电流值I_t驱动左右髋关节外骨骼的电机进行运动以施加辅助力。

进一步的，S3中当所述穿戴者行走运动时，所述目标人机交互力F_d，

其中，K_walk为规律行走助力系数，其大小为外骨骼驱动电机的额定输出扭矩；θ_r为助力侧髋关节的实时角度；θ_{Assist-Start-Angle}为规律步态助力启动瞬间的助力侧髋关节角度。

进一步的，S3中当所述穿戴者搬抬运动时，所述目标人机交互力F_d，

其中，K_Lift为搬抬助力系数，其大小为外骨骼驱动电机的额定输出扭矩；θ_r为助力侧髋关节的实时角度；θ_{Assist-Start-Angle}为弯腰搬抬助力启动瞬间的助力侧髋关节角度；θ_{Assist-maintain-Angle}为弯腰搬抬助力时维持最大助力功率的起始角度，θ_{Assist-Atten-Angle}为弯腰搬抬目标助力值向零衰减时的起始角度，θ为髋关节角度。

进一步的，S3中，所述摆动态助力阈值

本发明可以对行走与弯腰搬抬两种运动模式进行有效识别，根据运动模式对髋关节进行相应的助力，提升了助力效率，降低了搬运者的体能消耗。

附图说明

图1为第一、第二联动状态变量x、y在两种运动模式变换时的运动模式识别图；

图2为平地规律行走助力示意图；

图3为左右髋关节的预助力区域进入与退出机制示意图；

图4为弯腰搬抬助力示意图；

图5为搬抬助力进入与退出机制；

图6为力控制器框图；

图7为髋关节外骨骼的模态切换控制流程图。

具体实施方式

本发明提出一种髋关节外骨骼搬抬与行走助力混合控制方法，包括：

S1、建立联动状态变量：对左右髋关节的角度进行正弦映射处理得当第一联动状态变量x；将外骨骼左右髋关节的角度θ_L与θ_R相加并乘以一个比例系数k_p之后，再与第一联动状态变量x相加得到第二联动状态变量y。其中，髋关节角度代表的是穿戴者大腿相对于人体背部的转动角度，此角度在人体站立时为零度，大腿向前摆动，角度正向变化；大腿向后摆动，角度负向变化。

S2、基于第一、第二联动状态变量x、y，确定穿戴者的运动模式：

当第一联动状态变量x接近0，第二联动状态变量y正向增长时，则穿戴者的运动模式为搬抬运动模式中的弯腰过程。实际应用中可设置第一联动状态变量x小于指定值，例如第一联动状态变量x数值小于其在规律行走运动模式下所产生波谷值20分之1。

当第一联动状态变量x进行周期变化时，则穿戴者的运动模式为行走。

S3、根据搬运者的运动模式，给予相应的助力：

行走助力：基于第一联动状态变量x的波峰、波谷值以按照比例P设置左右髋关节预助力区域及对应的左右髋关节预助力阈值；首先设置左右髋关节预助力区间，当第一联动状态变量x小于左髋关节预助力阈值，助力控制器进入左髋关节预助力区域；当第一联动状态变量x大于右髋关节预助力阈值，助力控制器进入右髋关节预助力区域。

在左髋关节预助力区域中，且左髋关节角速度的方向为正向(即人体前侧)并大于摆动态助力阈值时，助力控制器控制外骨骼进入左髋关节助力区域，进行左髋关节助力。

在右髋关节预助力区域中，且右髋关节角速度的方向为正向(即人体前侧)并大于摆动态助力阈值时，助力控制器控制外骨骼进入右髋助力区域，进行右髋关前向摆动助力。

弯腰搬抬助力：当穿戴者由行走模式进入搬抬模式时，助力控制器进入搬抬预助力区域并实时检测左右髋关节运动的角速度。

当检测到左右髋关节角速度小于搬抬助力启动角速度阈值时，助力控制器控制外骨骼进入搬抬主动助力区域。

在搬抬助力区域中，当第二联动状态变量y等于0时，退出搬抬主动助力。

助力控制器根据助力模式控制外骨骼对穿戴者施加辅助力：

外骨骼传感器实时获取穿戴者与外骨骼之间的人机交互力F_HE，力控制器根据搬运者的运动状态、目标人机交互力F_d、人机交互力F_HE确定力偏差值F_e，进而确定外骨骼电机驱动器的电流值I_t。

S4、识别搬运者的运动模式以及运动模式的切换，根据搬运者的运动模式，给予相应的助力。

具体的实现方法如下：

S1、建立联动状态变量：基于左右髋关节的角度确定第一联动状态变量x以及第二联动状态变量y；

基于嵌入在髋关节外骨骼左右两侧的关节角度位置与速度传感器，将左右髋关节的角度进行正弦映射得到第一联动状态变量x，其中θ_L代表运动过程中外骨骼左髋关节角度，θ_R则代表运动过程中右髋关节角度。髋关节转动角度代表的是穿戴者大腿相对于人体背部的角度，此角度在人体站立时为零度，大腿向前摆动，角度正向变化；大腿向后摆动，角度负向变化。平地规律行走过程中，联动状态变量x曲线以步态周期为标准进行周期变化，极值范围属于[-2,+2]。在x后面增加关节角度非正弦映射项，即将外骨骼左右髋关节的角度θ_L与θ_R相加并乘以一个比例系数K_p(K_p的取值为1)，最后再与第一联动状态变量x相加组成第二联动状态变量y，增加其对于左右髋关节角度同向变化时位置与速度的敏感度。

x＝sin(θ_L)-sin(θ_R)

y＝[sin(θ_L)-sin(θ_R)]+K_p(θ_L+θ_R)

S2、运动模式识别：基于第一、第二联动状态变量x、y，确定穿戴者的运动模式，所述运动模式包括行走和搬抬运动；

结合第一、第二联动状态变量x、y，可以区分平地行走与弯腰搬抬两种运动模式。

行走->搬抬

正常行走过程中，第一、第二联动状态变量x、y均以同频率进行周期性变化，变化周期约等于步态周期。在搬抬运动模式中的弯腰过程中，第一联动状态变量x接近0，第二联动状态变量y却正向增长，抬起过程中，第一联动状态变量x接近零，第二联动状态变量y反向递减为零。如图1行走到搬抬的运动模式识别图所示。

因此可以通过以下公式对穿戴者的运动模式由行走转换至搬抬的状况进行识别。

x≈0&&y＞1.5

搬抬->行走

在规律行走此种运动模式下，第一联动状态变量x进行周期性变化。此时可以使用基于滑动窗口方差的波峰波谷检测算法(peak and trough recognition algorithmbased on sliding window variance)对联动状态变量x周期性变化过程中的波峰与波谷进行实时检测。当连续检测到第一联动状态变量x的三个波峰与波谷后，便可以认定穿戴者的运动模式由搬抬转换为行走，如以下公式所示。其中SWVD_REC代表基于滑动窗口方差的波峰波谷检测算法，x_peak与x_trough分别代表检测到的第一联动状态变量x波峰与波谷。

SWVD_REC(x_peak,x_trough)＝(3,3)

S3、运动意图识别：根据搬运者的运动模式，给予相应的助力；

搬运机动型外骨骼运动意图识别主要针对行走、弯腰搬抬两种运动模式，设计助力曲线，改变辅助力施加的方向、时间、变化规律，以实现外骨骼对穿戴者全过程主动助力与被动助力的控制目标。

3.1规律步态行走助力

平地规律行走运动模式下，左右髋关节角位置各自以步态周期进行变化，并且左右髋关节位置曲线相差半个步态周期,运动过程中第一联动状态变量x曲线以步态周期时间为标准进行周期变化，曲线变化幅值范围处于[-2,+2]。第一联动状态变量x波形的相位、幅值、最新波峰波谷的取值范围包含了左右两腿的运动状态以及相对位置。

联动状态变量x与人体下肢行走运动规律的对应关系：联动状态变量x处于波峰附近区域时，此时人的下肢大腿运动状为：右腿完成前向摆动，落地支撑，左腿将由支撑态过渡到摆动态完成前向摆动。相反，第一联动状态变量x处于波谷附近区域时，此时人的下肢大腿运动状为：左腿完成前向摆动，落地支撑，右腿将由支撑态过渡到摆动态完成前向摆动。

髋关节外骨骼通过在穿戴者大腿向前摆动过程中对其施加与摆动方向相同的辅助力来执行规律行走助力，如图2所示。规律行走运动模式下的运动意图识别目标为识别穿戴者左大腿以及右大腿的前向摆动。因此可以通过联动状态变量x与人体下肢行走运动规律的对应关系进行规律行走运动模式下的运动意图识别，具体步骤如下所示。

(1)设定左髋与右髋关节预助力区间

根据联动状态变量x波峰、波谷值大小并按照一定比例P(比例值P一般设定为80％)划定左右髋关节预助力区域，左右髋关节助力区域的阈值计算公式如下所示。其中V_Peak和V_Through分别为使用基于滑动窗口方差的波峰波谷检测算法对第一联动状态变量x进行峰谷检测得到的波峰与波谷值。V_{Left_HIP_Pre_Area}和V_{Right_HIP_Pre_Area}分别代表左髋关节预助力区域和右髋关节预助力区域阈值。

当第一联动状态变量x小于阈值V_{Left_HIP_Pre_Area}时，控制器进入左髋预助力区域，相反，当第一联动状态变量x大于阈值V_{Right_HIP_Pre_Area}时，控制器进入右髋预助力区域，左右髋关节的预助力区域进入与退出机制如图3所示。

(2)规律步态助力启动

当髋关节处于左髋预助力区域时，控制器检测到左髋关节角速度

的转动方向为人体前侧并大于摆动态助力阈值

时，控制器则控制髋关节外骨骼进入左髋助力区域，进行左髋关前向摆动助力，同上，当髋关节处于右髋预助力区域时，控制器检测到右髋关节角速度

的转动方向为人体前侧并大于摆动态助力阈值

时，控制器则控制髋关节外骨骼进入右髋助力区域，进行右髋关前向摆动助力。其中，摆动态助力阈值

是助力控制器判别外骨骼是否进行摆动态助力的最小髋关节角速度，

一般设置为0，因为大腿向人体前侧摆动时，髋关节角速度大于零，而大腿向人体后侧摆动时，髋关节角速度小于零。

进入左髋助力区，

进入右髋助力区。

规律步态助力进入与退出机制，图3所示。

1：当第一联动状态变量x小于阈值V_{Left_HIP_Pre_Area}时，控制器进入左髋预助力区域与右髋随动助力区域；

2：当髋关节处于左髋预助力区域时，控制器检测到左髋关节角速度

的转动方向为人体前侧并大于摆动态助力阈值

时，控制器则控制髋关节外骨骼进入左髋助力区域，进行左髋关前向摆动助力，同时右髋维持在随动助力区域；

3：当第一联动状态变量x大于阈值V_{Right_HIP_Pre_Area}时，控制器进入右髋预助力区域同时退出左髋助力区域并进入左髋随动助力区域；

4：当髋关节处于右髋预助力区域时，控制器检测到右髋关节角速度

的转动方向为人体前侧并大于摆动态助力阈值

时，控制器则控制髋关节外骨骼进入右髋助力区域，进行右髋关前向摆动助力，同时左髋维持在随动助力区域；

5：当第一联动状态变量x小于阈值V_{Left_HIP_Pre_Area}时，控制器进入左髋预助力区域同时退出右髋助力区域并进入右髋随动助力区域。

3.2弯腰搬抬助力

弯腰搬抬作业过程中只有弯腰与搬抬两种运动类型，髋关节外骨骼需要在穿戴者弯腰完成重物抓取后执行直立动作的过程中对穿戴者腰部进行助力，如图4所示。通过对关节角联动状态变量y与左右髋关节角速度

和

的变化识别弯腰搬抬助力的运动意图。

(1)进入搬抬预助力区

当控制器通过模式识别算法识别出穿戴者由规律行走运动模式进入到搬抬模式后，立即进入到搬抬预助力区，此时穿戴者弯腰抓取重物，髋关节外骨骼并不对穿戴者进行主动助力。在搬抬预助力区内，控制器实时检测左右髋关节运动的角速度，并随时准备控制髋关节外骨骼进入搬抬主动助力区。

(2)搬抬助力

当穿戴者完成重物的抓取，由弯腰进入直立的动作时，控制器检测到左髋关节角速度

或者右髋关节角速度

小于搬抬助力启动角速度阈值

时，控制器控制髋关节外骨骼进入搬抬主动助力区，如以下公式所示。

在搬抬助力区域内，当联动状态变量y等于零时，则退出搬抬主动助力。整个搬抬助力的运动意图识别如图5所示。

3.3力控制器设计

本发明所涉及到的髋关节外骨骼主要完成规律行走助力与搬抬助力，两种助力模式下髋关节对穿戴者施加辅助力的变化曲线不同。髋关节外骨骼在两侧髋部的驱动电机输出端安装有扭矩传感器，可以实时获取穿戴者与外骨骼之间的交互力F_HE。通过设计稳定的力控制器以及设定不同运动模式下的目标人机交互力F_d，可以实现搬抬、规律行走全流程助力。

(1)规律行走目标助力曲线

规律行走运动模式下的目标助力曲线为正弦波，其计算公式如下所示。

其中，θ_{Assist-Start-Angle}为规律步态助力启动瞬间的助力侧髋关节角度，θ_r为助力侧髋关节的实时角度，K_walk为规律行走助力系数，其大小为髋关节驱动电机的额定输出扭矩。

(2)搬抬助力曲线

弯腰搬抬运动模式下的目标助力曲线为梯形波，其计算公式如下所示，

其中，θ_{Assist-Start-Angle}为弯腰搬抬助力启动瞬间的助力侧髋关节角度，θ_{Assist-End-Angle}为弯腰搬抬助力结束时的髋关节角度，θ_{Assist-maintain-Angle}为弯腰搬抬助力时维持最大助力功率的起始角度。θ_{Assist-Atten-Angle}为弯腰搬抬目标助力值向零衰减时的起始角度，其值一般为θ_{Assist-maintain-Angle}+30°，θ_r为助力侧髋关节的实时角度，θ为髋关节角度，K_Lift为搬抬助力系数，其大小为髋关节驱动电机的额定输出扭矩。

(3)随动助力

本发明所涉及到的髋关节外骨骼除弯腰搬抬助力与规律行走助力两种主动助力模式，其余的运动状态均采用随动助力控制模式，即设定穿戴者与髋关节外骨骼之间的目标人机交互力为零，如下公式所示，这样能做到除主动助力的运动区间外，在其他运动区间尽量减小髋关节外骨骼对穿戴者运动过程的阻力。

F_d＝0

(4)力控制器设计

以搬抬助力、规律行走助力、随动助力三种运动状态下设计的目标人机交互力F_d为输入，设计力控制器。目标人机交互力F_d与扭矩传感器测量到的实际人机交互力F_HE做差得到力偏差值F_e，计算公式为F_e＝F_d-F_HE。将力偏差值F_e输入到PID控制器进行计算，得到电机驱动器的电流值I_t，电机驱动器按照电流值I_t驱动髋关节外骨骼的电机进行运动并带动外骨骼绑缚系统对穿戴者施加辅助力，从而实现三种搬抬助力、规律行走助力、随动助力三种运动状态下设计的目标人机交互力F_d。力控制器的控制框图如图6所示。

S4、模态切换控制：识别搬运者的运动模式以及运动模式的切换，根据搬运者的运动模式，给予相应的助力。

髋关节外骨骼的模态切换控制流程如图7所示。髋关节外骨骼全流程助力需要在各种运动模态之间进行切换，在发明中对其作业过程共划分了站立、单步行走、规律行走、左腿预助力&右腿随动、左腿助力&右腿随动、右腿预助力&左腿随动、右腿助力&左腿随动、弯腰&搬抬预助力、抓取、搬抬助力、放置、其他12个模态。模态切换控制器按照前述所说的运动模式识别、运动意图识别方法根据边界条件在这12种模态中进行切换控制，实现弯腰搬抬与规律行走全过程助力的控制目标。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.一种髋关节外骨骼搬抬与行走助力混合控制方法，其特征在于，包括：

S1、利用髋关节外骨骼左右两侧的角度和角速度传感器得到左右髋关节的角度和角速度，基于左右髋关节的角度确定第一联动状态变量x以及第二联动状态变量y；

S2、基于第一联动状态变量x以及第二联动状态变量y确定穿戴者的运动模式，所述运动模式包括行走运动和搬抬运动；

S3、当穿戴者进行行走运动或搬抬运动时，助力控制器控制外骨骼进入相应左右髋关节助力状态，根据左右髋关节的角速度，助力控制器对左右髋关节施加辅助力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中确定所述第一联动状态变量x以及第二联动状态变量y，具体为：

x＝sin(θ_L)-sin(θ_R)

y＝[sin(θ_L)-sin(θ_R)]+K_p(θ_L+θ_R)

其中，θ_L代表运动过程中外骨骼左髋关节转动角度，θ_R代表运动过程中外骨骼右髋关节转动角度，K_p为比例系数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，基于第一联动状态变量x以及第二联动状态变量y确定穿戴者的运动模式，进一步包括：

当所述第一联动状态变量x小于指定值，且第二联动状态变量y正向增长时，判定穿戴者做出弯腰动作，其运动模式为搬抬运动；

当所述第一联动状态变量x进行周期变化时，判定穿戴者的运动模式为行走运动。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S3中，当穿戴者进行行走运动时，根据左右髋关节的角速度，所述助力控制器对左右髋关节施加辅助力，具体包括：

首先基于第一联动状态变量x和左、右髋关节预助力阈值判断助力器的助力状态：

当第一联动状态变量x小于左髋关节预助力阈值V_{Left_HIP_Pre_Area}时，助力控制器进入左髋关节预助力状态；在左髋关节预助力状态中，若左髋关节角速度的方向为正向并大于摆动态助力阈值时，助力控制器控制外骨骼进入左髋关节助力状态，进行左髋关节前向摆动助力；

当第一联动状态变量x大于右髋关节预助力阈值V_{Right_HIP_Pre_Area}时，助力控制器进入右髋关节预助力状态；在右髋关节预助力状态中，若右髋关节角速度的方向为正向并大于摆动态助力阈值时，助力控制器控制外骨骼进入右髋关节助力状态，进行右髋关前向摆动助力。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，S3中，当穿戴者进行行走运动时，所述左髋关节预助力状态阈值V_{Left_HIP_Pre_Area}和右髋关节预助力状态阈值V_{Right_HIP_Pre_Area}的确定方式如下：

其中V_Peak表示第一联动状态变量x的波峰值；V_Through表示第一联动状态变量x的波谷值，P为百分比系数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S3中，当穿戴者进行搬抬运动时，根据左右髋关节角速度，助力控制器对左右髋关节施加辅助力，具体包括：助力控制器实时获取所述传感器检测左右髋关节运动的角速度；

当检测到左右髋关节角速度小于搬抬助力启动角速度阈值时，助力控制器控制外骨骼进入搬抬助力状态，助力控制器对左右髋关节施加辅助力；

在搬抬助力状态中，当第二联动状态变量y等于0时，退出搬抬助力。

7.根据权利要求4、5或6任一项所述的方法，其特征在于，S3中所述助力控制器对左右髋关节施加辅助力，具体包括：

利用左右髋关节的驱动电机输出端的扭矩传感器实时获取穿戴者与外骨骼之间的人机交互力F_HE，助力控制器根据穿戴者的行走运动或搬抬运动状态确定目标人机交互力F_d，将目标人机交互力F_d与人机交互力F_HE作差得到力偏差值F_e，根据所述力偏差值F_e确定外骨骼电机驱动器的驱动电流值I_t，电机驱动器按照所述驱动电流值I_t驱动左右髋关节外骨骼的电机进行运动以施加辅助力。

8.根据权利要求7任一项所述的方法，其特征在于，S3中，当穿戴者进行行走运动时，所述目标人机交互力F_d为，

其中，K_walk为规律行走助力系数，其大小为外骨骼驱动电机的额定输出扭矩；θ_r为助力侧髋关节的实时角度；θ_{Assist-Start-Angle}为规律步态助力启动瞬间的助力侧髋关节角度。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，S3中，当穿戴者进行搬抬运动时，所述目标人机交互力F_d为，

其中，K_Lift为搬抬助力系数，其大小为外骨骼驱动电机的额定输出扭矩；θ_r为助力侧髋关节的实时角度；θ_{Assist-Start-Angle}为弯腰搬抬助力启动瞬间的助力侧髋关节角度；θ_{Assist-maintain-Angle}为弯腰搬抬助力时维持最大助力功率的起始角度，θ_{Assist-Atten-Angle}为弯腰搬抬目标助力值向零衰减时的起始角度，θ为髋关节角度。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，S3中，所述摆动态助力阈值

Images