[发明专利]一种非拟人上肢助力装置及其控制方法

权利要求书

1.一种非拟人上肢助力装置，其特征在于，包括前臂机构、肘关节电机、上臂机构、肩关节电机、背部转轴、背部电机、背部框架、控制模块以及与控制模块连接的三维力传感器、肘关节编码器、肩关节编码器和背部转轴编码器，所述前臂机构、上臂机构和背部转轴依次连接；

所述肘关节电机驱动前臂机构相对上臂机构转动，所述肩关节电机驱动上臂机构相对背部转轴转动，所述背部电机驱动背部转轴相对背部框架转动；

使用时，所述背部框架背负于人体后背上，人体手部与前臂机构的前端固定连接，人体上肢处于伸直状态下，沿前臂机构的前端至后端的方向，所述前臂机构与人体上肢之间的距离逐渐增大；

所述三维力传感器设于前臂机构前端，用于测量负载与人体手部之间的交互力；所述肘关节编码器的内轴套与肘关节电机的转轴固定连接，用于测量肘关节角度；所述肩关节编码器的内轴套与肩关节电机的转轴固定连接，用于测量肩关节的矢状面角度；所述背部转轴编码器的内轴套与背部电机的转轴固定连接，用于测量肩关节的冠状面角度；

所述控制模块用于获取人体手部与负载之间的三维交互力值、肘关节角度、肩关节的矢状面角度和肩关节的冠状面角度，构建交互力模型；根据交互力模型，通过空间解算得到肘关节所需助力力矩值、肩关节矢状面所需助力力矩值和肩关节冠状面所需助力力矩值；将助力力矩值转换为电流值，控制肘关节电机、肩关节电机和背部电机提供相应的助力，使得人体手部与负载之间的最终三维交互力数值为零。

2.根据权利要求1所述的非拟人上肢助力装置，其特征在于，所述三维力传感器的前端设有把手。

3.根据权利要求2所述的非拟人上肢助力装置，其特征在于，所述把手的形状为L形，包括垂直于前臂机构的连接段以及垂直于连接段的防滑脱段，连接段的一端与前臂机构的前端固定连接，另一端与防滑脱段固定连接。

4.根据权利要求1所述的非拟人上肢助力装置，其特征在于，所述前臂机构、上臂机构与人体上肢构成三角形。

5.根据权利要求1所述的非拟人上肢助力装置，其特征在于，所述背部电机与背部框架通过背部电机支架连接。

6.根据权利要求5所述的非拟人上肢助力装置，其特征在于，所述背部电机支架与背部框架滑动连接，背部电机通过背部电机支架在背部框架所在的平面内移动。

7.根据权利要求6所述的非拟人上肢助力装置，其特征在于，所述背部框架与背部电机支架之间设有用于限位的锁紧件。

8.一种非拟人上肢助力装置的控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1至7任一项所述的非拟人上肢助力装置，所述控制方法包括如下步骤：

获取人体手部与负载之间的三维交互力值、肘关节角度、肩关节的矢状面角度和肩关节的冠状面角度，构建交互力模型；根据交互力模型，通过空间解算得到肘关节所需助力力矩值、肩关节矢状面所需助力力矩值和肩关节冠状面所需助力力矩值；将助力力矩值转换为电流值，控制肘关节电机、肩关节电机和背部电机提供相应的助力，使得人体手部与负载之间的最终三维交互力数值为零。

9.根据权利要求8所述的非拟人上肢助力装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法采用PID控制器对三维力传感器检测三维交互力值进行反馈调节。