[发明专利]一种可穿戴式腰部助力外骨骼机构及其控制方法

权利要求书

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：

所述外骨骼背板运动模型为：

其中M_P、M_B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，为角速度，为角加速度，l_P、l_B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，F_M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，T_act为盘式电机(10)的输出力矩，B为外骨骼关节处的阻尼系数，I_e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T_act使得人体背部肌肉的输出力F_M趋于0，所述预设控制率为：

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。