[发明专利]一种原地搬举负载的外骨骼设计方法

权利要求书

1.一种原地搬举负载的外骨骼设计方法，其特征在于，所述原地搬举负载的外骨骼设计方法是实现或完成原地搬举负载的外骨骼助力智能化的设计方法，所述外骨骼智能化的设计方法包括人体运动与力学采集系统设计方法、外骨骼装置设计方法和测试评价设计方法；

所述人体运动与力学采集系统设计方法包括以下步骤：

S1)获取若干个不同的工况参数；

S2)根据所述工况参数构建人体运动与力学采集系统，利用所述人体运动与力学采集系统获得人体关节运动变化数据和人体关节力矩变化数据；

S3)通过所述人体关节运动变化数据得到不同关节的运动速度和运动范围，通过所述人体关节力矩变化数据得到不同关节最大承受力矩，根据所述不同关节最大承受力矩确定用于原地搬举负载的外骨骼装置的助力关节；

所述外骨骼装置设计方法包括以下步骤：

S4)设定助力效率，根据所述助力效率并结合运动与力学数据得到外骨骼的助力形式以及能源与驱动形式；

S5)根据所述外骨骼的助力形式以及能源与驱动形式设置用于原地搬举负载的外骨骼装置；

所述测试评价设计方法包括以下步骤：

S6)建立若干个不同的测试指标，根据所述若干个不同的测试指标对所述外骨骼装置进行测试，获得测试助力有效性结果；

在步骤S4)中，设定助力效率，根据所述助力效率并结合运动与力学数据得到外骨骼的助力形式以及能源与驱动形式，所述运动与力学数据包括所述不同关节的运动速度和运动范围以及所述不同关节最大承受力矩，包括以下步骤：

S41)获取上肢肌肉群体积和下肢肌肉群体积，将所述上肢肌肉群体积和所述下肢肌肉群体积进行对比，获得上肢及下肢不同关节屈伸能力对比结果，同时获取上肢与下肢肌肉能力对比结果；

S42)根据所述上肢及下肢不同关节屈伸能力对比结果和所述上肢与下肢肌肉能力对比结果选择用于原地搬举负载的外骨骼装置的上肢结构为主动式助力、并选择用于原地搬举负载的外骨骼装置的下肢结构为被动式助力；

S43)对用于原地搬举负载的外骨骼装置的助力关节的能源与驱动形式进行选择，选取外骨骼上肢结构的肘关节的能源与驱动形式为肘关节电机系统及肘关节鲍登线，利用肘关节电机系统及肘关节鲍登线对外骨骼上肢结构的肘关节进行驱动；选取外骨骼上肢结构的肩关节的能源与驱动形式为液压能源系统，利用液压能源系统对外骨骼上肢结构的肩关节进行驱动；选取外骨骼下肢结构的膝关节的能源与驱动形式为膝关节鲍登线及膝关节助力弹簧，利用所述膝关节鲍登线及膝关节助力弹簧对外骨骼下肢结构的膝关节进行驱动；选取外骨骼下肢结构的髋关节的能源与驱动形式为髋关节钢丝绳及膝关节助力弹簧，利用所述髋关节钢丝绳及膝关节助力弹簧对外骨骼下肢结构的髋关节进行驱动；

在步骤S6)中，建立若干个不同的测试指标，所述不同的测试指标包括主观指标参数与实际数据测试指标参数，所述主观指标参数包括穿戴快捷性、静态舒适性和/或动态舒适性；所述实际数据测试指标参数包括耗氧度和/或肌肉激活度；根据所述若干个不同的测试指标对所述外骨骼装置进行测试，获得测试助力有效性结果，包括以下步骤：

S61)根据所述实际数据测试指标参数计算测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值和未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值；

S62)将测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值与未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值进行对比，获得被试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置相对于未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的助力有效性对比结果；

S63)根据所述主观指标参数与所述实际数据测试指标参数计算测试者穿戴不同样机的助力有效性，所述不同样机均为用于原地搬举负载的外骨骼装置；

S64)将测试者穿戴不同样机的助力有效性进行对比，获得测试者穿戴不同样机的助力有效性对比结果；

在步骤S61)中，所述测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值m为测试者的总数，α_i为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的耗氧度加权系数，β_i为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的肌肉激活度加权系数，H_i为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的耗氧度，0≤H_i≤1，E_i为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的肌肉激活度，0≤E_i≤1；所述测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的耗氧度加权系数，为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的肌肉激活度加权系数，为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的耗氧度，为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的肌肉激活度，

在步骤S63)中，根据所述主观指标参数与所述实际数据测试指标参数计算测试者穿戴不同样机的助力有效性，第k个测试者穿戴第j个样机的助力有效性为计算m个测试者穿戴第j个样机的助力有效性为获得m个测试者穿戴不同样机的助力有效性，将m个测试者穿戴不同样机的助力有效性进行对比，获得不同样机的助力有效性对比结果；A_j、B_j分别为主观指标加权系数和实际数据测试指标加权系数，C_j为第k个测试者穿戴第j个样机的穿戴敏捷度分值，0≤C_j≤1，σ_j为第k个测试者穿戴第j个样机的穿戴敏捷度分值加权系数，J_j为第k个测试者穿戴第j个样机的静态舒适度分值，0≤J_j≤1，τ_j为第k个测试者穿戴第j个样机的静态舒适度分值加权系数，D_j为第k个测试者穿戴第j个样机的动态舒适度分值，0≤D_j≤1，为第k个测试者穿戴第j个样机的动态舒适度分值加权系数，Z_j为第k个测试者穿戴第j个样机时的耗氧度，0≤Z_j≤1，w_j为第k个测试者穿戴第j个样机时的耗氧度加权系数，e_j为第k个测试者穿戴第j个样机时的肌肉激活度加权系数，R_j为第k个测试者穿戴第j个样机时的肌肉激活度，0≤R_j≤1。