[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

说明书

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。

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：

所述外骨骼背板运动模型为：