[發明專利]可穿戴式腰部助力外骨骼的自適應魯棒力控制方法及裝置

在審

• 申請號: 202310372642.3
• 申請日: 2023-04-10
• 公開（公告）號: CN116476052A
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 陳珊;鮑爽;張新甫;孫勁宇;董方方;韓江
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J9/00
• 代理公司: 合肥市澤信專利代理事務所(普通合伙) 34144
• 代理人: 江楠竹

1.一種可穿戴式腰部助力外骨骼的自適應魯棒力控制方法，其用于實現對腰部助力外骨骼的控制；

所述腰部助力外骨骼包括：

背板；

背部綁帶，其固定在背板上端，用于綁定人體背部；

腰部綁帶，其固定在背板下端，用于綁定人體腰部；

外骨骼髖關節，其設置了兩組，并分別設置在背板兩側；所述外骨骼髖關節包括大腿桿、諧波減速器、髖關節電機、腰部連接件、電機旋轉編碼器；所述諧波減速器的外圈與大腿桿連接；所述髖關節電機的轉子與諧波減速器內圈連接，定子與諧波減速器外圈連接；所述腰部連接件的一端與諧波減速器內圈連接，另一端與背板連接；所述電機旋轉編碼器安裝在髖關節電機上；

若干個姿態傳感器，其設置在大腿桿上、背板上、人體小腿上、人體大腿上、人體軀干上、人體上肢上；

肌電傳感器，其設置在人體腰部上；

實時控制器，其安裝在背板上；所述實時控制器與髖關節電機、電機旋轉編碼器、姿態傳感器、肌電傳感器電性連接；

其特征在于，所述自適應魯棒力控制方法包括以下步驟：

S1，初始化所述實時控制器的采樣周期；初始化若干個所述姿態傳感器、所述肌電傳感器，將傳感器數值調零；將所述大腿桿、背板旋轉至豎直位置，并初始化電機旋轉編碼器且將電機旋轉編碼器數值調零；

S2，建立所述腰部助力外骨骼的物理模型，將所述物理模型轉化為狀態方程；其中，所述物理模型包括人-外骨骼耦合系統動力學模型、人機接口模型、穿戴者提供的完整約束模型；

S3，獲取人體各個關節的角度、角速度、角加速度、以及人體髖關節處力矩，獲取外骨骼髖關節的角度、角速度、角加速度，計算出電機驅動力矩；

S4，將所述電機驅動力矩轉化為相應髖關節電機的控制電流，通過所述控制電流控制對應的髖關節電機的輸出力矩，帶動大腿桿相互于背板旋轉，實現腰部助力外骨骼的運動。

2.根據權利要求1所述的可穿戴式腰部助力外骨骼的自適應魯棒力控制方法，其特征在于，在S2中，所述人-外骨骼耦合系統動力學模型為：

式中，q＝[q₁?q₂?q₃?q₄?q₅]^T，q₁、q₂、q₃、q₄、q₅分別為人體踝關節、人體膝關節、人體髖關節、人體肩關節、外骨骼髖關節的轉動角度；

τ＝[τ₁?τ₂?τ₃?τ₄?τ_act]^T，τ₁、τ₂、τ₃、τ₄分別為人體踝關節、人體膝關節、人體髖關節、人體肩關節的施加力矩，τ_act為外骨骼髖關節的驅動力矩；

F_b＝[F_bx?F_by?F_bz]^T為人機作用力，F_bx、F_by、F_bx分別表示人機作用力在x,y,z方向上的分量；

J_h∈R^3*5為背部接觸處人體背部的雅可比矩陣；

J_e∈R^3*5為背部接觸處背板的雅可比矩陣；

M(q)∈R^5*5為人-外骨骼耦合系統的慣性矩陣；

為人-外骨骼耦合系統的離心力和科氏力矩陣；

G(q)∈R⁵為人-外骨骼耦合系統的重力矩陣。