[發(fā)明專利]一種可穿戴式腰部助力外骨骼機構(gòu)及其控制方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201911255477.3 | 申請日： | 2019-12-10 |
| 公開（公告）號： | CN110842896B | 公開（公告）日： | 2020-11-10 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 陳珊;萬淼;黃曉鋒;顧徐聞;呂行;趙偉;董方方;韓江;夏鏈 | 申請（專利權(quán)）人： | 合肥工業(yè)大學 |
| 主分類號： | B25J9/00 | 分類號： | B25J9/00;B25J9/16 |
| 代理公司： | 合肥市澤信專利代理事務(wù)所(普通合伙) 34144 | 代理人： | 方榮肖 |
| 地址： | 230009 *** | 國省代碼： | 安徽;34 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 穿戴 腰部 助力 骨骼 機構(gòu) 及其 控制 方法 | ||
1.一種可穿戴式腰部助力外骨骼機構(gòu)，其包括：
機械結(jié)構(gòu)，其包括腰部組件、兩個髖關(guān)節(jié)組件和兩個腿部組件；兩個髖關(guān)節(jié)組件分別與腰部組件連接，兩個腿部組件分別設(shè)置于兩個髖關(guān)節(jié)組件下方；所述腰部組件包括與穿戴者的背部相接觸的背板(1)，穿戴者發(fā)生傾斜時，背板(1)由此與重心線之間存在傾斜方向上的一個夾角；
兩個驅(qū)動組件，分別設(shè)置于兩個髖關(guān)節(jié)組件和兩個腿部組件之間，且分別用于驅(qū)動兩個腿部組件；兩個所述驅(qū)動組件均包括盤式電機(10)、諧波減速器(11)和T型軸(12)，盤式電機(10)與諧波減速器(11)之間通過T型軸(12)傳動連接，T型軸(12)的大頭端與盤式電機(10)固定連接，其另一端固定在諧波減速器(11)的鍵槽中，諧波減速器(11)設(shè)置于髖關(guān)節(jié)組件上；
其特征在于，所述可穿戴式腰部助力外骨骼機構(gòu)還包括：
數(shù)據(jù)采集器，其用于所述夾角的角度以及產(chǎn)生夾角時的角加速度；以及
控制器，其根據(jù)數(shù)據(jù)采集器采集到的角度與角加速度建立外骨骼的物理模型，該物理模型包括：人體背部運動模型和外部骨骼背板運動模型：
所述人體背部運動模型為：
所述外骨骼背板運動模型為：
其中MP、MB分別為外部負載及穿戴者上半身的質(zhì)量，α為穿戴者背部與重心線方向的夾角的角度，為角速度，為角加速度，lP、lB分別為外部負載及穿戴者上半身質(zhì)心到盤式電機(10)軸心的距離，F(xiàn)M為人體背部肌肉的輸出力，F(xiàn)為腰部外骨骼對人上半身的作用力，d、L分別為背部肌肉輸出力及外骨骼對人上半身的作用力到盤式電機(10)軸心的距離，I為穿戴者上半身的轉(zhuǎn)動慣量，Tact為盤式電機(10)的輸出力矩，B為外骨骼關(guān)節(jié)處的阻尼系數(shù)，Ie為外骨骼背部的轉(zhuǎn)動慣量，g為重力常數(shù)；控制器還用于根據(jù)預(yù)設(shè)控制率，控制盤式電機(10)的輸出力矩Tact使得人體背部肌肉的輸出力FM趨于0，所述預(yù)設(shè)控制率為：
2.如權(quán)利要求1所述的可穿戴式腰部助力外骨骼機構(gòu)，其特征在于：所述腰部組件還包括兩個底板(2)、兩個第一連接板(3)、兩個第二連接板(4)和綁帶(5)；所述背板(1)包括與穿戴者背部接觸的正面以及與所述正面相對的背面；第一個底板(2)的一端轉(zhuǎn)動連接于所述背面的一側(cè)上，第一個底板(2)的相對另一端與第一個第一連接板(3)的一端轉(zhuǎn)動連接，第一個第一連接板(3)的相對另一端與第一個第二連接板(4)的一端可伸縮連接；第二個底板(2)的一端轉(zhuǎn)動連接于所述背面的相對另一側(cè)上，第二個底板(2)的相對另一端與第二個第一連接板(3)的一端轉(zhuǎn)動連接，第二個第一連接板(3)的相對另一端與第二個第二連接板(4)的一端可伸縮連接；綁帶(5)固定在所述正面上，且至少一端為自由端。
3.如權(quán)利要求2所述的可穿戴式腰部助力外骨骼機構(gòu)，其特征在于：所述髖關(guān)節(jié)組件包括縱向旋轉(zhuǎn)柱(6)、連接柱(7)和第三連接板(8)；縱向旋轉(zhuǎn)柱(6)的一端與第二連接板(4)的相對另一端轉(zhuǎn)動連接，連接柱(7)的頂部與縱向旋轉(zhuǎn)柱(6)的相對另一端的底部固定連接，連接柱(7)的底部開設(shè)有凹槽，第三連接板(8)的一端分別轉(zhuǎn)動連接于凹槽內(nèi)，諧波減速器(11)設(shè)置于第三連接板(8)的相對另一端的側(cè)面上。
4.如權(quán)利要求1所述的可穿戴式腰部助力外骨骼機構(gòu)，其特征在于：所述驅(qū)動組件還包括電機驅(qū)動器(9)，電機驅(qū)動器(9)集成于盤式電機(10)的內(nèi)部，電機驅(qū)動器(9)一方面用于放大控制器輸出的控制信號的功率，另一方面將控制器的電壓信號轉(zhuǎn)化為電流信號。
5.如權(quán)利要求1所述的可穿戴式腰部助力外骨骼機構(gòu)，其特征在于：所述數(shù)據(jù)采集器包括傾角傳感器(17)與加速度傳感器(18)，傾角傳感器(17)用于所述夾角的角度，加速度傳感器(18)用于采集背板(1)產(chǎn)生夾角時的角加速度。
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