[發明專利]一種可穿戴式腰部助力外骨骼機構及其控制方法

有效

• 申請號: 201911255477.3
• 申請日: 2019-12-10
• 公開（公告）號: CN110842896B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）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）人: 合肥工業大學
• 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所(普通合伙) 34144
• 代理人: 方榮肖

1.一種可穿戴式腰部助力外骨骼機構，其包括：

機械結構，其包括腰部組件、兩個髖關節組件和兩個腿部組件；兩個髖關節組件分別與腰部組件連接，兩個腿部組件分別設置于兩個髖關節組件下方；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；

兩個驅動組件，分別設置于兩個髖關節組件和兩個腿部組件之間，且分別用于驅動兩個腿部組件；兩個所述驅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)設置于髖關節組件上；

其特征在于，所述可穿戴式腰部助力外骨骼機構還包括：

數據采集器，其用于所述夾角的角度以及產生夾角時的角加速度；以及

控制器，其根據數據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M_P、M_B分別為外部負載及穿戴者上半身的質量，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，l_P、l_B分別為外部負載及穿戴者上半身質心到盤式電機(10)軸心的距離，F_M為人體背部肌肉的輸出力，F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動慣量，T_act為盤式電機(10)的輸出力矩，B為外骨骼關節處的阻尼系數，I_e為外骨骼背部的轉動慣量，g為重力常數；控制器還用于根據預設控制率，控制盤式電機(10)的輸出力矩T_act使得人體背部肌肉的輸出力F_M趨于0，所述預設控制率為：

2.如權利要求1所述的可穿戴式腰部助力外骨骼機構，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)的一端轉動連接于所述背面的一側上，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)的一端轉動連接于所述背面的相對另一側上，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.如權利要求2所述的可穿戴式腰部助力外骨骼機構，其特征在于：所述髖關節組件包括縱向旋轉柱(6)、連接柱(7)和第三連接板(8)；縱向旋轉柱(6)的一端與第二連接板(4)的相對另一端轉動連接，連接柱(7)的頂部與縱向旋轉柱(6)的相對另一端的底部固定連接，連接柱(7)的底部開設有凹槽，第三連接板(8)的一端分別轉動連接于凹槽內，諧波減速器(11)設置于第三連接板(8)的相對另一端的側面上。

4.如權利要求1所述的可穿戴式腰部助力外骨骼機構，其特征在于：所述驅動組件還包括電機驅動器(9)，電機驅動器(9)集成于盤式電機(10)的內部，電機驅動器(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化為電流信號。

5.如權利要求1所述的可穿戴式腰部助力外骨骼機構，其特征在于：所述數據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)產生夾角時的角加速度。