[发明专利]外骨骼控制方法及装置

说明书

本发明公开了外骨骼控制方法及装置。涉及机器人控制领域，其中，方法通过获取惯性传感器和编码器的用户数据，用户数据包括：惯性传感器采集的躯干角度值及对应的躯干角速度值、编码器采集的左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值，根据用户数据判断用户意图得到用户运动状态，然后根据运动状态选择对应的控制模式，最后根据不同的控制模式发送控制信号到驱动器驱动电机进行外骨骼控制。通过运动意图识别，可针对不同运动状态提供不同的控制模式，针对不同运动状态给穿戴者提供不同的助力模式，实现行走弯腰过程中仅补偿重力，提升重物抬腰过程中提供助力，跟随穿戴者意图运动，有效减少弯腰和行走过程人机对抗产生的能耗，具有更好的助力效果。

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，尤其是一种外骨骼控制方法及装置。

背景技术

目前很多人由于需要长期长时间处于弯腰、半蹲的状态，长时间维持同一姿势不仅很容易出现疲惫、注意力下降等情况，导致工作效率下降，危险性增加，同时给作业工人带来了许多健康、安全隐患，如腰肌劳损、腰椎损伤等疾病。目前已有大量的外骨骼出现在辅助工人作业的领域，例如，铁甲钢拳外骨骼采用气-液-电混合驱动的方式，有强劲的扭矩输出和反应速度，能够满足穿戴者基本关节旋转和基本动作，但是其驱动方式为气动，需要通过气管连接外部气源，只能应用于固定工位的情况；又比如，赤源动力科技有限责任公司生产的外骨骼，通过机械结构设计，外骨骼能够在无需动力输入的情况下跟随人体灵活移动，但是该方案为无源结构，只能依靠穿戴者弯腰压缩弹簧储能提供搬运助力，增加了穿戴者能耗，因此需要提出一种能够提供腰部助力并减少能量消耗和腰肌劳损的外骨骼控制方法。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的是提供一种能够提供腰部助力并减少能量消耗和腰肌劳损的外骨骼控制方法。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种外骨骼控制方法，包括：

获取惯性传感器和编码器采集的用户数据，所述用户数据包括：所述惯性传感器采集的躯干角度值及对应的躯干角速度值、所述编码器采集的左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值；

根据所述用户数据判断用户意图得到用户运动状态，所述用户运动状态包括：第一运动状态、第二运动状态、第三运动状态和第四运动状态；

根据所述运动状态选择对应的控制模式，所述控制模式包括：助力模式和随动模式；

根据不同的控制模式发送控制信号到驱动器驱动电机进行所述外骨骼控制。

进一步地，判断用户意图具体为：

设定起始状态为第一运动状态；

当所述躯干角度值大于等于第一阈值，并且躯干角速度大于等于第二阈值时，切换当前用户运动状态为第二运动状态；

当所述躯干角度值大于等于第三阈值，且左侧髋关节角度值和右侧髋关节角度值之差的绝对值小于第四阈值，同时髋关节角度平均值的方差小于第五阈值，切换当前用户运动状态为第三运动状态；

当所述第三运动状态持续时间大于第六阈值时，切换当前用户运动状态为第一运动状态；

当所述第三运动状态持续时间小于第六阈值，且髋关节角度平均值出现峰值，同时髋关节角度平均值的方差大于第七阈值时，切换当前用户运动状态为第四运动状态；

当所述躯干角度值小于第八阈值，且至少满足以下一个条件：所述髋关节角度平均值的方差小于第九阈值或髋关节角度平均值出现波谷值，切换当前用户运动状态为第一运动状态。

进一步地，当处于所述第四运动状态时，选择所述助力模式，当处于其他用户运动状态时，选择所述随动模式。

进一步地，所述随动模式为力矩PID控制模式，具体为：