一种下肢外骨骼机器人助力控制方法及下肢外骨骼机器人与流程

本发明涉及辅助装置机械，尤其涉及一种下肢外骨骼机器人助力控制方法及下肢外骨骼机器人。

背景技术：

1、下肢外骨骼机器人广泛应用于民用与军事领域，在军事领域，助力外骨骼机器人可以辅助士兵执行相关战术动作，提高士兵运动的机动性，增强负重训练与连续行军能力，提高单兵作战的能力；在民用领域，助力式外骨骼机器人机器人能够辅助行动不便的老人完成日常活动，如行走、上下楼梯、弯腰、抬腰等动作，也能为劳动强度大、负重较多的工人提供腰部助力辅助，从而降低脊柱劳损与肌肉损伤风险，提高工作质量与效率。

2、尽管下肢外骨骼机器人有明显的社会价值和经济价值，但是由于技术因素，当前的下肢外骨骼机器人产品面临操作繁琐，不易实现，助力效果不明显等实际问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种下肢外骨骼机器人助力控制方法及下肢外骨骼机器人，用以解决上述问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种下肢外骨骼机器人助力控制方法，其应用于下肢外骨骼机器人上，所述外骨骼机器人包括多个支架，所述支架之间通过关节连接，包括：

4、获取在不同力矩下的各关节所能够达到的角度数据；

5、在对数据进行预处理后，通过所述力矩与角度数据将其拟合成对应的函数表达式，并将所述函数表达式写入下肢外骨骼机器人中；

6、在人体穿戴所述下肢外骨骼机器人后，根据穿戴者下肢的运动方向和角度依照所述函数表达式补偿机器人上各关节的力矩，从而对穿戴者进行助力。

7、进一步的，所述关节中设置有电机，各关节所能够达到的角度数据由电机中转子转动的角度确定。

8、进一步的，所述转子的转动角度由电机中设置的编码器和数字霍尔传感器采集得到。

9、进一步的，将预处理后的力矩与角度数据以最低的均方根误差值为标准选择多项式拟合函数的阶数，自适应形成力矩与角度数据函数表达式。

10、进一步的，判断穿戴者下肢的运动方向的过程为：

11、在电机转子顺时针旋转时，若上一时刻的关节角度小于这一时刻的关节角度，则判定为上升状态，否则为下降状态；

12、在电机转子逆时针旋转上，如果上一时刻的关节角度小于这一时刻的关节角度，则判定为下降状态，否则为上升状态。

13、进一步的，还包括：在人体穿戴所述下肢外骨骼机器人后，根据穿戴者的实时反馈对函数表达式进行调节。

14、本发明还提供了一种下肢外骨骼机器人，包括包括髋关节支架、大腿支架、小腿支架和脚底板支架，所述支架之间均通过关节连接，髋关节支架上固定设置有背包，其特征在于，所述背包、内设置有工控机，所述工控机被配置为根据穿戴者下肢的运动方向和角度依照预设函数表达式补偿所述下肢外骨骼机器人上各关节的力矩，从而对穿戴者进行助力。

15、进一步的，所述预设函数表达式由不同力矩下采集的角度数据与所述力矩通过多项式函数拟合得到。

16、进一步的，所述拟合得到的多项式函数的阶数由拟合的函数表达式与所述数据间最低的均方根误差值确定。

17、本发明与现有技术相比，至少包含以下有益效果：

18、(1)本发明对外骨骼机器人在穿戴前进行低速动态平衡实验，将重力矩和摩擦力矩进行整体辨识后，在穿戴后对重力矩和摩擦力矩进行补偿，实现助力效果；

19、(2)本发明在力矩模式下，给电机施加不同的力矩，读取电机到达的位置，记录电机位置和力矩数据。其次对数据进行预处理，对其进行多项式函数拟合，随后补偿电机的重力矩和摩擦力矩，依据电机关节角度的变化给电机输入不同的力矩，操作简易可行；

20、(3)本发明的助力控制算法的循环时间为10ms，时间短，编码器反馈快，从而保证了助力控制的高效性和柔顺性，最后依据穿戴者的实时反馈，在线调节参数，最大保证助力控制的安全性和有效性。

技术特征：

1.一种下肢外骨骼机器人助力控制方法，其应用于下肢外骨骼机器人上，所述外骨骼机器人包括多个支架，所述支架之间通过关节连接，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人助力控制方法，其特征在于，所述关节中设置有电机，各关节所能够达到的角度数据由电机中转子转动的角度确定。

3.根据权利要求2所述的一种下肢外骨骼机器人助力控制方法，其特征在于，所述转子的转动角度由电机中设置的编码器和数字霍尔传感器采集得到。

4.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人助力控制方法，其特征在于，将预处理后的力矩与角度数据以最低的均方根误差值为标准选择多项式拟合函数的阶数，自适应形成力矩与角度数据函数表达式。

5.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人助力控制方法，其特征在于，判断穿戴者下肢的运动方向的过程为：

6.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人助力控制方法，其特征在于，还包括：在人体穿戴所述下肢外骨骼机器人后，根据穿戴者的实时反馈对函数表达式进行调节。

7.一种下肢外骨骼机器人，包括包括髋关节支架、大腿支架、小腿支架和脚底板支架，所述支架之间均通过关节连接，髋关节支架上固定设置有背包，其特征在于，所述背包、内设置有工控机，所述工控机被配置为根据穿戴者下肢的运动方向和角度依照预设函数表达式补偿所述下肢外骨骼机器人上各关节的力矩，从而对穿戴者进行助力。

8.根据权利要求7所述的一种下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述预设函数表达式由不同力矩下采集的角度数据与所述力矩通过多项式函数拟合得到。

9.根据权利要求8所述的一种下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述拟合得到的多项式函数的阶数由拟合的函数表达式与所述数据间最低的均方根误差值确定。

技术总结
本发明属于辅助装置机械技术领域，提供了一种下肢外骨骼机器人助力控制方法及下肢外骨骼机器人，包括：获取在不同力矩下的各关节所能够达到的角度数据；在对数据进行预处理后，通过所述力矩与角度数据将其拟合成对应的函数表达式，并将所述函数表达式写入下肢外骨骼机器人中；在人体穿戴所述下肢外骨骼机器人后，根据穿戴者下肢的运动方向和角度依照所述函数表达式补偿机器人上各关节的力矩，从而对穿戴者进行助力。本发明的优点在于对外骨骼机器人在穿戴前进行低速动态平衡实验，将重力矩和摩擦力矩进行整体辨识后，在穿戴后对重力矩和摩擦力矩进行补偿，实现助力效果。

技术研发人员：裘焱枫,魏炳胜,诸莹杰,徐晓东,黄勇,张克勤,胡宇清
受保护的技术使用者：宁波工业互联网研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13