柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法与流程

本发明柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法，涉及可穿戴的智能装备技术领域，尤其涉及一种柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法。

背景技术：

我国人口的老龄化越来越严峻，截止到2020年5月，65周岁及以上的老年人占全国总人口10.83％。脑瘁中、帕金森、阿尔兹海默症是老年人的常见病和多发病，每年新发病的患者约为200万，80％的患者会引起下肢偏瘫，导致下肢肌肉薄弱，无法提供足够的力量完成行走，不同程度丧失了运动能力，偏瘫较轻的老年人可以依靠轮椅进行运动，偏瘫严重的老年人需要常年卧床，经常引起褥疮、肌肉萎缩、静脉血栓、泌尿系统感染、骨质疏松等并发症，在身心方面长年忍受着常人体会不到的痛苦，给家庭和社会带来巨大的负担。

下肢外骨骼机器人穿戴在老年人的腿上，充当老年人穿戴者的外骨骼，帮助老年人重新站立和行走，促进血液循环，防止肌肉萎缩，减少并发症的发生，能够恢复老年人的运动能力和生活能力，重新回归社会。

现有的下肢外骨骼机器人一般采用刚体结构，穿戴起来比较笨重，导致步态僵硬，限制穿戴者运动的灵活性和精巧性，容易引起严重的位姿偏差，降低穿戴者的舒适性，增加穿戴者的行走疲劳。大多数的下肢外骨骼机器人按照预先设定的动作序列和步态轨迹进行运动，适合结构化的简单地形，很少融入穿戴者的动态行走特征，在非结构化的复杂地形运动时，难以协调穿戴者与下肢外骨骼机器人的运动稳定性和环境适应性，制约下肢外骨骼机器人的实践应用。

经过亿万年的自然进化，人体具有卓越的运动特性，可以行走在未知的、非结构化的复杂地形，能够协调肢体产生稳定运动，对运动地形的改变能够快速准确变换步态模式，人体运动具有很强的灵活性、协调性、稳定性和适应性，为下肢外骨骼机器人提供丰富合理的仿生源泉。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，根据人体的运动特性，利用仿生设计原理，提供一种柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法，能够减轻柔性下肢外骨骼机器人的重量，降低穿戴者的负重，突破刚体结构对于穿戴者的运动限制，增加穿戴者的舒适性，实现柔性下肢外骨骼机器人与穿戴者的动作一体化，提高柔性下肢外骨骼机器人的运动灵活性、动作精巧性、步态稳定性和环境适应性。

本发明采用的技术手段如下：

一种柔性下肢外骨骼机器人包括：背部穿戴装置、腰带、两套行走装置、膝关节牵引绳、智能运动裤髋关节牵引绳和运动传感装置；

进一步地，腰带为具有一定弹性的弧形带状结构，其弧形与穿戴者的腰部弧度相同；腰带装于智能运动裤的裤腰部；

进一步地，两套行走装置分别装于智能运动裤的两条裤腿上，并与腰带相连接；每套行走装置均包括一套大腿穿戴装置和一套小腿穿戴装置；

进一步地，背部穿戴装置包括：背箱和肩带；背箱的前部装有两根肩带，通过肩带背于穿戴者的背上；背箱的内部装有驱动装置和控制系统；

进一步地，智能运动裤由具有一定弹性的氨纶材质制成；

进一步地，运动传感装置装于智能运动裤上，并与背部穿戴装置内的控制系统相连接；

进一步地，膝关节牵引绳为两根，每根膝关节牵引绳的上端与背箱内部的驱动装置相连接，下端分别与两套小腿穿戴装置相连接；膝关节牵引绳的外部套装有膝关节牵引绳保护套，膝关节牵引绳保护套的上端装于背箱上，下部装于小腿穿戴装置上；

进一步地，髋关节牵引绳为两根，每根髋关节牵引绳的上端与背箱内部的驱动装置相连接，下端分别与两套大腿穿戴装置相连接；髋关节牵引绳的外部套装有髋关节牵引绳保护套，髋关节牵引绳保护套的上端装于背箱上，下部装于腰带上。

进一步地，背箱包括：背箱壳、上层平板、下层平板、驱动装置和控制系统；上层平板和下层平板平行装于背箱壳的内部；驱动装置和控制系统相连接，并装于上层平板和下层平板上；

进一步地，控制系统包括：电池、控制器和蓝牙接收模块；电池、控制器和蓝牙接收模块相互相连接，并装于下层平板上；

进一步地，驱动装置包括：右腿膝关节电机、右腿髋关节电机、左腿膝关节电机和左腿髋关节电机；右腿膝关节电机和右腿髋关节电机并排装于上层平板上，分别连接膝关节牵引绳和髋关节牵引绳的上端；左腿膝关节电机和左腿髋关节电机并排装于背箱壳的底部，分别连接另外两根膝关节牵引绳和髋关节牵引绳；

进一步地，右腿膝关节电机和右腿髋关节电机与左腿膝关节电机和左腿髋关节电机左右反向装配。

进一步地，右腿膝关节电机、右腿髋关节电机、左腿膝关节电机和左腿髋关节电机通过数据线连接控制器和蓝牙接收模块进行数据传输。

进一步地，大腿穿戴装置包括：髋关节网络结构、大腿绑带、腰带固定环、大腿固定环；

进一步地，髋关节网络结构为多条弹性带编织而成的网状结构，上端安装在腰带后腰部的下端；下端安装在大腿绑带后部上端；

进一步地，大腿绑带为两个，是由具有一定弹性的弧形带状结构，其弧形与穿戴者的大腿弧度相同；

进一步地，腰带固定环安装在腰带前部左右两侧各一个；

进一步地，大腿固定环安装在智能运动裤两条裤腿大腿位置的前部；

进一步地，髋关节网状结构安装在智能运动裤臀部位置的后部；两个大腿绑带安装在智能运动裤大腿外部两侧。

进一步地，小腿穿戴装置包括：小腿上部固定环、小腿下部固定环、足底绑带、小腿上部绑带、膝关节网状结构、小腿下部绑带；

进一步地，膝关节网状结构是由多条弹性带交叉编织而成；其上端安装有小腿上部绑带，下端安装由小腿下部绑带；

进一步地，小腿上部绑带和小腿下部绑带是具有一定弹性的弧形带状结构，其弧形与穿戴者的小腿弧度相同；

进一步地，小腿上部绑带、小腿下部绑带和膝关节网状结构安装在智能运动裤外侧，膝关节网状结构位于智能运动裤的前部膝关节位置；

进一步地，足底绑带由具有一定弹性的带状织物制成，两端分别安装在小腿下部绑带的外侧和内侧，足底绑带套装在穿戴者的足部。

进一步地，运动传感装置包括：智能运动裤内侧正面传感装置和智能运动裤内侧背面传感装置，分别装于智能运动裤内侧的正面和背面。

进一步地，智能运动裤内侧正面传感装置包括：右腿芯片装置、左腿髋关节惯性传感器、左腿芯片装置、左腿外侧肌电传感器、左腿膝关节惯性传感器、左腿内侧肌电传感器、右腿髋关节惯性传感器、右腿外侧肌电传感器、右腿膝关节惯性传感器、右腿内侧肌电传感器；

进一步地，左腿髋关节惯性传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的左腿髋关节位置；

进一步地，左腿芯片装置镶嵌在智能运动裤内层，对应穿戴者的左侧大腿位置；

进一步地，左腿外侧肌电传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的左腿外侧股四头肌位置；

进一步地，左腿膝关节惯性传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的左腿膝关节位置；

进一步地，左腿内侧肌电传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的左腿内侧股四头肌位置；

进一步地，左腿髋关节惯性传感器、左腿外侧肌电传感器、左腿膝关节惯性传感器、左腿内侧肌电传感器通过数据线连接左腿芯片装置进行数据传输；左腿芯片装置与蓝牙接收模块通过蓝牙信号进行数据传输；

进一步地，右腿髋关节惯性传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的右腿髋关节位置；

进一步地，右腿芯片装置镶嵌在智能运动裤内层，对应穿戴者的右侧大腿位置；

进一步地，右腿外侧肌电传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的右腿外侧股四头肌位置；

进一步地，右腿膝关节惯性传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的右腿膝关节位置；

进一步地，右腿内侧肌电传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的右腿内侧股四头肌位置；

进一步地，右腿髋关节惯性传感器、右腿外侧肌电传感器、右腿膝关节惯性传感器、右腿内侧肌电传感器通过数据线连接右腿芯片装置进行数据传输；右腿芯片装置与蓝牙接收模块通过蓝牙信号进行数据传输。

进一步地，智能运动裤内侧背面传感装置包括：右臀肌电传感器、右腿后侧肌电传感器、左臀肌电传感器、左腿后侧肌电传感器；

进一步地，右臀肌电传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的右腿臀大肌位置；

进一步地，右腿后侧肌电传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的右腿腘绳肌位置；

进一步地，右臀肌电传感器、右腿后侧肌电传感器通过数据线连接右腿芯片装置进行数据传输；

进一步地，左臀肌电传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的左腿臀大肌位置；

进一步地，左腿后侧肌电传感器为柔性贴片，粘贴在智能运动裤内层，对应穿戴者的左腿腘绳肌位置；

进一步地，左臀肌电传感器、左腿后侧肌电传感器通过数据线连接左腿芯片装置进行数据传输。

进一步地，左腿芯片装置与右腿芯片装置结构相同，均包括：上壳、运动芯片、体感芯片、锂电池、主控芯片、蓝牙发射模块、电路板、下壳；

进一步地，运动芯片、体感芯片、主控芯片和蓝牙发射模块安装在电路板上；运动芯片、体感芯片和主控芯片通过电路板的数据线连接蓝牙发射模块进行数据传输；

进一步地，锂电池安装在下壳内部的卡槽上，为电路板供电；

进一步地，电路板在上层，锂电池在下层，通过上壳和下壳封装在壳内。

进一步地，柔性下肢外骨骼机器人的仿生控制方法，其特征在于，所述的仿生控制方法包括如下步骤：

步骤一：人体穿戴柔性下肢外骨骼机器人运动时，穿戴者向前摆动左腿，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的左腿外侧肌电传感器、左腿内侧肌电传感器、左臀肌电传感器、左腿后侧肌电传感器，实时采集肌电信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将肌电数据传输至体感芯片，进行数据运算，获取穿戴者左腿外侧股四头肌、内侧股四头肌、臀大肌和腘绳肌的肌肉力，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的左腿髋关节惯性传感器、左腿膝关节惯性传感器，实时采集转角信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将转角数据传输至运动芯片，进行动作生成与运动反解，获取穿戴者左腿髋关节和膝关节的角速度与加速度，解算出穿戴者左腿的三维位姿；

步骤二：运动芯片和体感芯片的运算结果，通过数据线将位姿数据和肌电数据传输至主控芯片，主控芯片通过蓝牙发射模块向背箱的蓝牙接收模块发送信号，蓝牙接收模块向控制器发送信号，进行数据运算，控制器向左腿髋关节电机发送信号，左腿髋关节电机正转，缠绕左侧的髋关节牵引绳，拉伸左腿的髋关节网状结构，提供穿戴者所需的左腿髋关节力矩，随后控制器向左腿膝关节电机发送信号，左腿膝关节电机正转，缠绕左腿的膝关节牵引绳，拉伸左腿的膝关节网状结构，提供穿戴者所需的左腿膝关节力矩，辅助穿戴者左腿离地；

步骤三：对穿戴者左腿的位姿数据和肌肉力数据与其相对应的预设阈值进行比较，穿戴者左腿髋关节达到极限位姿时，柔性下肢外骨骼机器人的控制器向左腿髋关节电机发送信号，左腿髋关节电机反转，随后控制器向左腿膝关节电机发送信号，左腿膝关节电机反转，依靠穿戴者左腿的伸展运动，恢复左侧的髋关节牵引绳和左腿膝关节牵引绳的长度，收缩左腿的髋关节网状结构和左腿的膝关节网状结构，提供穿戴者左腿所需的髋关节力矩和膝关节力矩，辅助穿戴者左腿着地；

步骤四：穿戴者向前摆动右腿，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的右腿外侧肌电传感器、右腿内侧肌电传感器、右臀肌电传感器、右腿后侧肌电传感器，采集穿戴者右腿的肌电信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将肌电数据传输至体感芯片，进行数据运算，获取穿戴者右腿外侧股四头肌、内侧股四头肌、臀大肌和腘绳肌的肌肉力，通过数据线将肌肉力数据传输至主控芯片，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的右腿髋关节惯性传感器、右腿膝关节惯性传感器，采集穿戴者右腿的转角信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将转角数据传输至运动芯片，进行动作生成与运动反解，获取穿戴者右腿髋关节和膝关节的角速度与加速度，解算出穿戴者右腿的三维位姿，通过数据线将位姿数据传输至主控芯片，主控芯片通过蓝牙发射模块向背箱的蓝牙接收模块发送信号，蓝牙接收模块向控制器发送信号，进行数据运算，控制器向右腿髋关节电机发送信号，右腿髋关节电机正转，缠绕右侧的髋关节牵引绳，拉伸右腿的髋关节网状结构，提供穿戴者所需的右腿髋关节力矩，随后控制器向右腿膝关节电机发送信号，右腿膝关节电机正转，缠绕右腿的膝关节牵引绳，拉伸右腿的膝关节网状结构，提供穿戴者所需的右腿膝关节力矩，辅助穿戴者右腿离地；

步骤五：对穿戴者右腿的位姿数据和肌肉力数据与其相对应的预设阈值进行比较，穿戴者右腿髋关节达到极限位姿时，柔性下肢外骨骼机器人的控制器向右腿髋关节电机发送信号，右腿髋关节电机反转，随后控制器向右腿膝关节电机发送信号，右腿膝关节电机反转，依靠穿戴者右腿的伸展运动，恢复右侧的髋关节牵引绳和右腿的膝关节牵引绳的长度，收缩右腿的髋关节网状结构和右腿的膝关节网状结构，提供穿戴者右腿所需的髋关节力矩和膝关节力矩，辅助穿戴者右腿着地，完成一个步态周期。

步骤六：判断是否结束运动，如果需要结束，柔性下肢外骨骼机器人与穿戴者停止运动，否则返回步骤一再依次重复步骤一至五。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明的柔性下肢外骨骼机器人，具有结构紧凑、操作简单、便于装拆、易于携带的特点，能够减轻穿戴者的负重，突破刚体结构对于穿戴者的运动限制，提高运动灵活性和动作精巧性。

2.本发明的柔性下肢外骨骼机器人，腰带、大腿绑带、小腿绑带和智能运动裤可以进行调节，能够满足不同身高和胖瘦的穿戴者，提高穿戴者的舒适性。

3.本发明的仿生控制方法，利用体感芯片获取穿戴者腿部的肌肉力，采用运动芯片解算穿戴者腿部的三维位姿，能够迅速调整柔性下肢外骨骼机器人的运动姿态，维持平衡稳定，提高调整的准确性，实现柔性下肢外骨骼机器人与穿戴者的动作一体化，增强人机相容特性，提高步态稳定性和环境适应性。

综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中的刚体结构穿戴笨重，导致步态僵硬，限制穿戴者运动的灵活性和精巧性，容易引起严重的位姿偏差，降低穿戴者的舒适性，增加穿戴者的行走疲劳难以协调穿戴者与下肢外骨骼机器人的运动稳定性和环境适应性，制约下肢外骨骼机器人的实践应用等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明柔性下肢外骨骼机器人的结构示意图；

图2是本发明右腿芯片装置的结构示意图；

图3是本发明背箱的结构示意图；

图4是本发明智能运动裤内侧正面的结构示意图；

图5是本发明智能运动裤内侧背面的结构示意图；

图6是本发明的控制原理图；

图7是本发明仿生控制方法的流程图；

图8是本发明平面地形的运动示意图；

图9是本发明台阶地形的运动示意图。

图中：1、背箱2、髋关节牵引绳保护套3、膝关节牵引绳保护套4、腰带5、髋关节网状结构6、大腿绑带7、小腿上部固定环8、膝关节牵引绳9、小腿下部固定环10、足底绑带11、肩带12、腰带固定环13、智能运动裤14、髋关节牵引绳15、大腿固定环16、右腿芯片装置17、小腿上部绑带18、膝关节网状结构19、小腿下部绑带20、左腿髋关节惯性传感器21、左腿芯片装置22、左腿外侧肌电传感器23、左腿膝关节惯性传感器24、左腿内侧肌电传感器25、右腿髋关节惯性传感器26、右腿外侧肌电传感器27、右腿膝关节惯性传感器28、右腿内侧肌电传感器29、右臀肌电传感器30、右腿后侧肌电传感器31、左臀肌电传感器32、左腿后侧肌电传感器；

1-1右腿膝关节电机1-2右腿髋关节电机1-3背箱壳1-4电池1-5左腿膝关节电机1-6左腿髋关节电机1-7上层平板1-8控制器1-9蓝牙接收模块1-10下层平板；

16-1上壳16-2运动芯片16-3体感芯片16-4锂电池16-5主控芯片16-6蓝牙发射模块16-7电路板16-8下壳。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种柔性下肢外骨骼机器人包括：背部穿戴装置、腰带4、两套行走装置、膝关节牵引绳8、智能运动裤13、髋关节牵引绳14和运动传感装置；

所述的腰带4为具有一定弹性的弧形带状结构，其弧形与穿戴者的腰部弧度相同；腰带4装于智能运动裤13的裤腰部；

所述的两套行走装置分别装于智能运动裤13的两条裤腿上，并与腰带4相连接；每套行走装置均包括一套大腿穿戴装置和一套小腿穿戴装置；

所述的背部穿戴装置包括：背箱1和肩带11；背箱1的前部装有两根肩带11，通过肩带11背于穿戴者的背上；背箱1的内部装有驱动装置和控制系统；

所述的智能运动裤13由具有一定弹性的氨纶材质制成；

所述的运动传感装置装于智能运动裤13上，并与背部穿戴装置内的控制系统相连接；

所述的膝关节牵引绳8为两根，每根膝关节牵引绳8的上端与背箱1内部的驱动装置相连接，下端分别与两套小腿穿戴装置相连接；膝关节牵引绳8的外部套装有膝关节牵引绳保护套3，膝关节牵引绳保护套3的上端装于背箱1上，下部装于小腿穿戴装置上；

所述的髋关节牵引绳14为两根，每根髋关节牵引绳14的上端与背箱1内部的驱动装置相连接，下端分别与两套大腿穿戴装置相连接；髋关节牵引绳14的外部套装有髋关节牵引绳保护套2，髋关节牵引绳保护套2的上端装于背箱1上，下部装于腰带4上。

如图3所示，背箱1包括：背箱壳1-3、上层平板1-7、下层平板1-10驱动装置和控制系统；上层平板1-7和下层平板1-10平行装于背箱壳1-3的内部；驱动装置和控制系统相连接，并装于上层平板1-7和下层平板1-10上；

所述的控制系统包括：电池1-4、控制器1-8和蓝牙接收模块1-9；电池1-4、控制器1-8和蓝牙接收模块1-9相互相连接，并装于下层平板1-10上；

所述的驱动装置包括：右腿膝关节电机1-1、右腿髋关节电机1-2、左腿膝关节电机1-5和左腿髋关节电机1-6；右腿膝关节电机1-1和右腿髋关节电机1-2并排装于上层平板1-7上，分别连接膝关节牵引绳8和髋关节牵引绳14的上端；左腿膝关节电机1-5和左腿髋关节电机1-6并排装于背箱壳1-3的底部，分别连接另外两根膝关节牵引绳8和髋关节牵引绳14；

所述的右腿膝关节电机1-1和右腿髋关节电机1-2与左腿膝关节电机1-5和左腿髋关节电机1-6左右反向装配。

所述的右腿膝关节电机1-1、右腿髋关节电机1-2、左腿膝关节电机1-5和左腿髋关节电机1-6通过数据线连接控制器1-8和蓝牙接收模块1-9进行数据传输。

如图1所示，大腿穿戴装置包括：髋关节网络结构5、大腿绑带6、腰带固定环12、大腿固定环15；

所述的髋关节网络结构5为多条弹性带编织而成的网状结构，上端安装在腰带4后腰部的下端；下端安装在大腿绑带6后部上端；

所述的大腿绑带6为两个，是由具有一定弹性的弧形带状结构，其弧形与穿戴者的大腿弧度相同；

所述的腰带固定环12安装在腰带4前部左右两侧各一个；

所述的大腿固定环15安装在智能运动裤13两条裤腿大腿位置的前部；

所述的髋关节网状结构5安装在智能运动裤13臀部位置的后部；两个大腿绑带6安装在智能运动裤13大腿外部两侧。

如图1所示，小腿穿戴装置包括：小腿上部固定环7、小腿下部固定环9、足底绑带10、小腿上部绑带17、膝关节网状结构18、小腿下部绑带19；

所述的膝关节网状结构18是由多条弹性带交叉编织而成；其上端安装有小腿上部绑带17，下端安装由小腿下部绑带19；

所述的小腿上部绑带17和小腿下部绑带19是具有一定弹性的弧形带状结构，其弧形与穿戴者的小腿弧度相同；

所述的小腿上部绑带17、小腿下部绑带19和膝关节网状结构18安装在智能运动裤13外侧，膝关节网状结构18位于智能运动裤13的前部膝关节位置；

所述的足底绑带10由具有一定弹性的带状织物制成，两端分别安装在小腿下部绑带19的外侧和内侧，足底绑带10套装在穿戴者的足部。

如图4、5所示，运动传感装置包括：智能运动裤内侧正面传感装置和智能运动裤内侧背面传感装置，分别装于智能运动裤内侧的正面和背面。

如图4所示，智能运动裤内侧正面传感装置包括：右腿芯片装置16、左腿髋关节惯性传感器20、左腿芯片装置21、左腿外侧肌电传感器22、左腿膝关节惯性传感器23、左腿内侧肌电传感器24、右腿髋关节惯性传感器25、右腿外侧肌电传感器26、右腿膝关节惯性传感器27、右腿内侧肌电传感器28；

所述的左腿髋关节惯性传感器20为柔性贴片，粘贴在智能运动裤13内层，对应穿戴者的左腿髋关节位置；

所述的左腿芯片装置21镶嵌在智能运动裤13内层，对应穿戴者的左侧大腿位置；

所述的左腿外侧肌电传感器22为柔性贴片，粘贴在智能运动裤13内层，对应穿戴者的左腿外侧股四头肌位置；

所述的左腿膝关节惯性传感器23为柔性贴片，粘贴在智能运动裤13内层，对应穿戴者的左腿膝关节位置；

所述的左腿内侧肌电传感器24为柔性贴片，粘贴在智能运动裤13内层，对应穿戴者的左腿内侧股四头肌位置；

所述的左腿髋关节惯性传感器20、左腿外侧肌电传感器22、左腿膝关节惯性传感器23、左腿内侧肌电传感器24通过数据线连接左腿芯片装置21进行数据传输；左腿芯片装置21与蓝牙接收模块1-9通过蓝牙信号进行数据传输；

所述的右腿髋关节惯性传感器25为柔性贴片，粘贴在智能运动裤13内层，对应穿戴者的右腿髋关节位置；

所述的右腿芯片装置16镶嵌在智能运动裤13内层，对应穿戴者的右侧大腿位置；

所述的右腿外侧肌电传感器26为柔性贴片，粘贴在智能运动裤13内层，对应穿戴者的右腿外侧股四头肌位置；

所述的右腿膝关节惯性传感器27为柔性贴片，粘贴在智能运动裤13内层，对应穿戴者的右腿膝关节位置；

所述的右腿内侧肌电传感器28为柔性贴片，粘贴在智能运动裤13内层，对应穿戴者的右腿内侧股四头肌位置；

所述的右腿髋关节惯性传感器25、右腿外侧肌电传感器26、右腿膝关节惯性传感器27、右腿内侧肌电传感器28通过数据线连接右腿芯片装置16进行数据传输；右腿芯片装置16与蓝牙接收模块1-9通过蓝牙信号进行数据传输。

如图5所示，智能运动裤内侧背面传感装置包括：右臀肌电传感器29、右腿后侧肌电传感器30、左臀肌电传感器31、左腿后侧肌电传感器32；

所述的右臀肌电传感器29为柔性贴片，粘贴在智能运动裤13内层，对应穿戴者的右腿臀大肌位置；

所述的右腿后侧肌电传感器30为柔性贴片，粘贴在智能运动裤13内层，对应穿戴者的右腿腘绳肌位置；

所述的右臀肌电传感器29、右腿后侧肌电传感器30通过数据线连接右腿芯片装置16进行数据传输；

所述的左臀肌电传感器31为柔性贴片，粘贴在智能运动裤13内层，对应穿戴者的左腿臀大肌位置；

所述的左腿后侧肌电传感器32为柔性贴片，粘贴在智能运动裤13内层，对应穿戴者的左腿腘绳肌位置；

所述的左臀肌电传感器31、左腿后侧肌电传感器32通过数据线连接左腿芯片装置21进行数据传输。

如图2所示，左腿芯片装置21与右腿芯片装置16结构相同，均包括：上壳16-1运动芯片16-2、体感芯片16-3、锂电池16-4、主控芯片16-5蓝牙发射模块16-6电路板16-7、下壳16-8；

所述的运动芯片16-2、体感芯片16-3、主控芯片16-5和蓝牙发射模块16-6安装在电路板16-7上；运动芯片16-2、体感芯片16-3和主控芯片16-5通过电路板16-7的数据线连接蓝牙发射模块16-6进行数据传输；

所述的锂电池16-4安装在下壳16-8内部的卡槽上，为电路板16-7供电；

所述的电路板16-7在上层，锂电池16-4在下层，通过上壳16-1和下壳16-8封装在壳内。

如图1-9所示，柔性下肢外骨骼机器人的仿生控制方法，其特征在于，所述的仿生控制方法包括如下步骤：

步骤一：人体穿戴柔性下肢外骨骼机器人运动时，穿戴者向前摆动左腿，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的左腿外侧肌电传感器22、左腿内侧肌电传感器24、左臀肌电传感器31、左腿后侧肌电传感器32，实时采集肌电信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将肌电数据传输至体感芯片16-3，进行数据运算，获取穿戴者左腿外侧股四头肌、内侧股四头肌、臀大肌和腘绳肌的肌肉力，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的左腿髋关节惯性传感器20、左腿膝关节惯性传感器23，实时采集转角信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将转角数据传输至运动芯片16-2，进行动作生成与运动反解，获取穿戴者左腿髋关节和膝关节的角速度与加速度，解算出穿戴者左腿的三维位姿；

步骤二：运动芯片16-2和体感芯片16-3的运算结果，通过数据线将位姿数据和肌电数据传输至主控芯片16-5，主控芯片16-5通过蓝牙发射模块16-6向背箱的蓝牙接收模块1-9发送信号，蓝牙接收模块1-9向控制器1-8发送信号，进行数据运算，控制器1-8向左腿髋关节电机1-6发送信号，左腿髋关节电机1-6正转，缠绕左侧的髋关节牵引绳14，拉伸左腿的髋关节网状结构5，提供穿戴者所需的左腿髋关节力矩，随后控制器1-8向左腿膝关节电机1-5发送信号，左腿膝关节电机1-5正转，缠绕左腿的膝关节牵引绳8，拉伸左腿的膝关节网状结构18，提供穿戴者所需的左腿膝关节力矩，辅助穿戴者左腿离地；

步骤三：对穿戴者左腿的位姿数据和肌肉力数据与其相对应的预设阈值进行比较，穿戴者左腿髋关节达到极限位姿时，柔性下肢外骨骼机器人的控制器1-8向左腿髋关节电机1-6发送信号，左腿髋关节电机1-6反转，随后控制器1-8向左腿膝关节电机1-5发送信号，左腿膝关节电机1-5反转，依靠穿戴者左腿的伸展运动，恢复左侧的髋关节牵引绳14和左腿膝关节牵引绳8的长度，收缩左腿的髋关节网状结构5和左腿膝关节网状结构18，提供穿戴者左腿所需的髋关节力矩和膝关节力矩，辅助穿戴者左腿着地；

步骤四：穿戴者向前摆动右腿，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的右腿外侧肌电传感器26、右腿内侧肌电传感器28、右臀肌电传感器29、右腿后侧肌电传感器30，采集穿戴者右腿的肌电信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将肌电数据传输至体感芯片16-3，进行数据运算，获取穿戴者右腿外侧股四头肌、内侧股四头肌、臀大肌和腘绳肌的肌肉力，通过数据线将肌肉力数据传输至主控芯片16-5，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的右腿髋关节惯性传感器25、右腿膝关节惯性传感器27，采集穿戴者右腿的转角信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将转角数据传输至运动芯片16-2，进行动作生成与运动反解，获取穿戴者右腿髋关节和膝关节的角速度与加速度，解算出穿戴者右腿的三维位姿，通过数据线将位姿数据传输至主控芯片16-5，主控芯片16-5通过蓝牙发射模块16-6向背箱的蓝牙接收模块1-9发送信号，蓝牙接收模块1-9向控制器1-8发送信号，进行数据运算，控制器1-8向右腿髋关节电机1-2发送信号，右腿髋关节电机1-2正转，缠绕右侧的髋关节牵引绳14，拉伸右腿的髋关节网状结构5，提供穿戴者所需的右腿髋关节力矩，随后控制器1、8向右腿膝关节电机1-1发送信号，右腿膝关节电机1-1正转，缠绕右腿的膝关节牵引绳8，拉伸右腿的膝关节网状结构18，提供穿戴者所需的右腿膝关节力矩，辅助穿戴者右腿离地；

步骤五：对穿戴者右腿的位姿数据和肌肉力数据与其相对应的预设阈值进行比较，穿戴者右腿髋关节达到极限位姿时，柔性下肢外骨骼机器人的控制器1-8向右腿髋关节电机1-2发送信号，右腿髋关节电机1-2反转，随后控制器1-8向右腿膝关节电机1-1发送信号，右腿膝关节电机1-1反转，依靠穿戴者右腿的伸展运动，恢复右侧的髋关节牵引绳14和右腿的膝关节牵引绳8的长度，收缩右腿的髋关节网状结构5和右腿的膝关节网状结构18，提供穿戴者右腿所需的髋关节力矩和膝关节力矩，辅助穿戴者右腿着地，完成一个步态周期。

步骤六：判断是否结束运动，如果需要结束，柔性下肢外骨骼机器人与穿戴者停止运动，否则返回步骤一再依次重复步骤一至五。

实施例1

如图8所示，本发明的柔性下肢外骨骼机器人与穿戴者在平面地形运动：

a)柔性下肢外骨骼机器人与穿戴者处于平面地形的站立状态，穿戴者向前摆动左腿，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的左腿外侧肌电传感器、左腿内侧肌电传感器、左臀肌电传感器、左腿后侧肌电传感器，采集穿戴者左腿的肌电信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将肌电数据传输至体感芯片，进行数据运算，获取穿戴者左腿外侧股四头肌、内侧股四头肌、臀大肌和腘绳肌的肌肉力，通过数据线将肌肉力数据传输至主控芯片；

b)通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的左腿髋关节惯性传感器、左腿膝关节惯性传感器，采集穿戴者左腿的转角信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将转角数据传输至运动芯片，进行动作生成与运动反解，获取穿戴者左腿髋关节和膝关节的角速度与加速度，解算出穿戴者左腿的三维位姿，通过数据线将位姿数据传输至主控芯片，主控芯片通过蓝牙发射模块向背箱的蓝牙接收模块发送信号，蓝牙接收模块向控制器发送信号，进行数据运算，控制器向左腿髋关节电机发送信号，左腿髋关节电机正转，缠绕左腿髋关节牵引绳，拉伸左腿髋关节网状结构，提供穿戴者所需的左腿髋关节力矩，随后控制器向左腿膝关节电机发送信号，左腿膝关节电机正转，缠绕左腿膝关节牵引绳，拉伸左腿膝关节网状结构，提供穿戴者所需的左腿膝关节力矩，辅助穿戴者左腿离地；

c)对穿戴者左腿的位姿数据和肌肉力数据与平面地形的预设阈值进行比较，穿戴者左腿髋关节达到最大屈曲位姿时，柔性下肢外骨骼机器人的控制器向左腿髋关节电机发送信号，左腿髋关节电机反转，随后控制器向左腿膝关节电机发送信号，左腿膝关节电机反转，依靠穿戴者左腿的伸展运动，恢复左腿髋关节牵引绳和左腿膝关节牵引绳的长度，收缩左腿髋关节网状结构和左腿膝关节网状结构，提供穿戴者左腿所需的髋关节力矩和膝关节力矩，辅助穿戴者左腿着地；

d)穿戴者向前摆动右腿，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的右腿外侧肌电传感器、右腿内侧肌电传感器、右臀肌电传感器、右腿后侧肌电传感器，采集穿戴者右腿的肌电信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将肌电数据传输至体感芯片，进行数据运算，获取穿戴者右腿外侧股四头肌、内侧股四头肌、臀大肌和腘绳肌的肌肉力，通过数据线将肌肉力数据传输至主控芯片，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的右腿髋关节惯性传感器、右腿膝关节惯性传感器，采集穿戴者右腿的转角信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将转角数据传输至运动芯片，进行动作生成与运动反解，获取穿戴者右腿髋关节和膝关节的角速度与加速度，解算出穿戴者右腿的三维位姿，通过数据线将位姿数据传输至主控芯片，主控芯片通过蓝牙发射模块向背箱的蓝牙接收模块发送信号，蓝牙接收模块向控制器发送信号，进行数据运算，控制器向右腿髋关节电机发送信号，右腿髋关节电机正转，缠绕右腿髋关节牵引绳，拉伸右腿髋关节网状结构，提供穿戴者所需的右腿髋关节力矩，随后控制器向右腿膝关节电机发送信号，右腿膝关节电机正转，缠绕右腿膝关节牵引绳，拉伸右腿膝关节网状结构，提供穿戴者所需的右腿膝关节力矩，辅助穿戴者右腿离地；

e)对穿戴者右腿的位姿数据和肌肉力数据与平面地形的预设阈值进行比较，穿戴者右腿髋关节达到最大屈曲位姿时，柔性下肢外骨骼机器人的控制器向右腿髋关节电机发送信号，右腿髋关节电机反转，随后控制器向右腿膝关节电机发送信号，右腿膝关节电机反转，依靠穿戴者右腿的伸展运动，恢复右腿髋关节牵引绳和右腿膝关节牵引绳的长度，收缩右腿髋关节网状结构和右腿膝关节网状结构，提供穿戴者右腿所需的髋关节力矩和膝关节力矩，辅助穿戴者右腿着地，完成一个步态周期。

如果继续行走，重复上述过程；如果不再行走，柔性下肢外骨骼机器人与穿戴者停止运动。

实施例2

如图9所示，本发明的柔性下肢外骨骼机器人与穿戴者在台阶地形运动：

a)柔性下肢外骨骼机器人与穿戴者处于台阶地形的站立状态，穿戴者向前抬起左腿，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的左腿外侧肌电传感器、左腿内侧肌电传感器、左臀肌电传感器、左腿后侧肌电传感器，采集穿戴者左腿的肌电信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将肌电数据传输至体感芯片，进行数据运算，获取穿戴者左腿外侧股四头肌、内侧股四头肌、臀大肌和腘绳肌的肌肉力，通过数据线将肌肉力数据传输至主控芯片；

b)通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的左腿髋关节惯性传感器、左腿膝关节惯性传感器，采集穿戴者左腿的转角信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将转角数据传输至运动芯片，进行动作生成与运动反解，获取穿戴者左腿髋关节和膝关节的角速度与加速度，解算出穿戴者左腿的三维位姿，通过数据线将位姿数据传输至主控芯片，主控芯片通过蓝牙发射模块向背箱的蓝牙接收模块发送信号，蓝牙接收模块向控制器发送信号，进行数据运算，控制器向左腿髋关节电机发送信号，左腿髋关节电机正转，缠绕左腿髋关节牵引绳，拉伸左腿髋关节网状结构，提供穿戴者所需的左腿髋关节力矩，随后控制器向左腿膝关节电机发送信号，左腿膝关节电机正转，缠绕左腿膝关节牵引绳，拉伸左腿膝关节网状结构，提供穿戴者所需的左腿膝关节力矩，辅助穿戴者左腿抬起；

c)对穿戴者左腿的位姿数据和肌肉力数据与台阶地形的预设阈值进行比较，穿戴者左腿髋关节达到最大屈曲位姿时，柔性下肢外骨骼机器人的控制器向左腿髋关节电机发送信号，左腿髋关节电机反转，随后控制器向左腿膝关节电机发送信号，左腿膝关节电机反转，依靠穿戴者左腿的伸展运动，恢复左腿髋关节牵引绳和左腿膝关节牵引绳的长度，收缩左腿髋关节网状结构和左腿膝关节网状结构，提供穿戴者左腿所需的髋关节力矩和膝关节力矩，辅助穿戴者左腿着地，踏在第一个台阶；

d)穿戴者向前抬起右腿，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的右腿外侧肌电传感器、右腿内侧肌电传感器、右臀肌电传感器、右腿后侧肌电传感器，采集穿戴者右腿的肌电信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将肌电数据传输至体感芯片，进行数据运算，获取穿戴者右腿外侧股四头肌、内侧股四头肌、臀大肌和腘绳肌的肌肉力，通过数据线将肌肉力数据传输至主控芯片，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的右腿髋关节惯性传感器、右腿膝关节惯性传感器，采集穿戴者右腿的转角信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将转角数据传输至运动芯片，进行动作生成与运动反解，获取穿戴者右腿髋关节和膝关节的角速度与加速度，解算出穿戴者右腿的三维位姿，通过数据线将位姿数据传输至主控芯片，主控芯片通过蓝牙发射模块向背箱的蓝牙接收模块发送信号，蓝牙接收模块向控制器发送信号，进行数据运算，控制器向右腿髋关节电机发送信号，右腿髋关节电机正转，缠绕右腿髋关节牵引绳，拉伸右腿髋关节网状结构，提供穿戴者所需的右腿髋关节力矩，随后控制器向右腿膝关节电机发送信号，右腿膝关节电机正转，缠绕右腿膝关节牵引绳，拉伸右腿膝关节网状结构，提供穿戴者所需的右腿膝关节力矩，辅助穿戴者右腿提升；

e)对穿戴者右腿的位姿数据和肌肉力数据与台阶地形的预设阈值进行比较，穿戴者右腿髋关节达到最大屈曲位姿时，柔性下肢外骨骼机器人的控制器向右腿髋关节电机发送信号，右腿髋关节电机反转，随后控制器向右腿膝关节电机发送信号，右腿膝关节电机反转，依靠穿戴者右腿的伸展运动，恢复右腿髋关节牵引绳和右腿膝关节牵引绳的长度，收缩右腿髋关节网状结构和右腿膝关节网状结构，提供穿戴者右腿所需的髋关节力矩和膝关节力矩，辅助穿戴者右腿着地，踏在第二个台阶；

f)穿戴者向前抬起左腿，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的左腿外侧肌电传感器、左腿内侧肌电传感器、左臀肌电传感器、左腿后侧肌电传感器，采集穿戴者左腿的肌电信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将肌电数据传输至体感芯片，进行数据运算，获取穿戴者左腿外侧股四头肌、内侧股四头肌、臀大肌和腘绳肌的肌肉力，通过数据线将肌肉力数据传输至主控芯片，通过安装在柔性下肢外骨骼机器人的左腿髋关节惯性传感器、左腿膝关节惯性传感器，采集穿戴者左腿的转角信号，经过信号调理和数模转换，通过数据线将转角数据传输至运动芯片，进行动作生成与运动反解，获取穿戴者左腿髋关节和膝关节的角速度与加速度，解算出穿戴者左腿的三维位姿，通过数据线将位姿数据传输至主控芯片，主控芯片通过蓝牙发射模块向背箱的蓝牙接收模块发送信号，蓝牙接收模块向控制器发送信号，进行数据运算，控制器向左腿髋关节电机发送信号，左腿髋关节电机正转，缠绕左腿髋关节牵引绳，拉伸左腿髋关节网状结构，提供穿戴者所需的左腿髋关节力矩，随后控制器向左腿膝关节电机发送信号，左腿膝关节电机正转，缠绕左腿膝关节牵引绳，拉伸左腿膝关节网状结构，提供穿戴者所需的左腿膝关节力矩，辅助穿戴者左腿提升；

g)对穿戴者左腿的位姿数据和肌肉力数据与台阶地形的预设阈值进行比较，穿戴者左腿髋关节达到最小屈曲位姿时，柔性下肢外骨骼机器人的控制器向左腿髋关节电机发送信号，左腿髋关节电机反转，随后控制器向左腿膝关节电机发送信号，左腿膝关节电机反转，依靠穿戴者左腿的伸展运动，恢复左腿髋关节牵引绳和左腿膝关节牵引绳的长度，收缩左腿髋关节网状结构和左腿膝关节网状结构，提供穿戴者左腿所需的髋关节力矩和膝关节力矩，辅助穿戴者左腿着地，迈上第二个台阶，完成一个步态周期。

如果继续行走，重复上述过程；如果不再行走，柔性下肢外骨骼机器人与穿戴者停止运动。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。