本發(fā)明屬于仿生技術(shù)，具體涉及一種異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置及其控制方法。

背景技術(shù)：

目前，穿戴式助力裝置是一種可穿戴在人體身上的外骨骼式伴隨式智能裝備，通過同步“跟隨”人體運(yùn)動(dòng)，輔助或代替人體承重及機(jī)動(dòng)，突破人體體能極限，大幅度提高人體的負(fù)重機(jī)動(dòng)能力/持久作戰(zhàn)能力。目前，主要應(yīng)用于人體下肢康復(fù)訓(xùn)練及輔助人體進(jìn)行負(fù)載助力，可在反恐維穩(wěn)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、醫(yī)療等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用和推廣。迄今為止，盡管針對(duì)類似的穿戴式助力系統(tǒng)的研究已取得了部分進(jìn)展，但距離實(shí)用還有很長一段路要走。

如申請(qǐng)?zhí)枮?01610520405.7的中國專利申請(qǐng)公開了下肢助力機(jī)械外骨骼，是模擬人體腿部結(jié)構(gòu)，在人腿左右兩側(cè)設(shè)置機(jī)械腿，但這種擬人的設(shè)計(jì)方式使得負(fù)載的作用力作用在足底支撐面之外，力傳遞設(shè)計(jì)不合理，助力效果一般，同時(shí)該專利申請(qǐng)還不具備機(jī)械腿長短調(diào)節(jié)功能，對(duì)穿戴者的適應(yīng)性較差；并且，鉸接的機(jī)械關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)無法滿足人體運(yùn)動(dòng)需求，存在人機(jī)之間的運(yùn)動(dòng)干涉；另外，上述專利申請(qǐng)的下肢助力機(jī)械外骨骼的膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用纜繩式驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，制造、裝配難度大，控制精度較差。

又如申請(qǐng)?zhí)枮?01610614958.9的中國專利申請(qǐng)公開了一種智能下肢助力裝置的在線步態(tài)規(guī)劃系統(tǒng)及方法，所述智能下肢助力裝置根據(jù)肌電采集單元、慣性采集單元采集的信息，提取特征，并與步態(tài)模型庫匹配，得到預(yù)測關(guān)節(jié)角度，以在線控制智能下肢助力裝置的步態(tài)；其所使用的傳感器數(shù)量眾多，且均布置于穿戴者身上，穿戴不方便，舒適度較差，并且對(duì)人體信息的采集處理復(fù)雜、耗時(shí)長，同時(shí)所述控制算法計(jì)算流程冗長、繁復(fù)，將導(dǎo)致人機(jī)交互性感知速度慢、控制系統(tǒng)處理信號(hào)到發(fā)出指令時(shí)間長，最終使得人機(jī)外骨骼系統(tǒng)與穿戴者的步態(tài)協(xié)調(diào)一致性較差，穿戴效果不良。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置及其控制方法，一方面解決擬人形穿戴式助力裝置的助力效果差的問題，采用異構(gòu)形式的機(jī)械形式，將穿戴者背負(fù)的負(fù)載重力通過異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置傳遞到地面，降低人體疲勞；同時(shí)結(jié)合異構(gòu)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，僅需使穿戴者足部與異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置的足部運(yùn)動(dòng)相匹配即可，降低裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度，另外，本發(fā)明還可通過調(diào)節(jié)執(zhí)行器的輸出，實(shí)現(xiàn)不同身高穿戴者的穿戴；另一方面，異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置所需傳感器數(shù)量少、種類簡單，可較為方便地對(duì)其控制，實(shí)現(xiàn)穿戴者與異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置之間的運(yùn)動(dòng)匹配。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置，包括背架和兩組腿部機(jī)構(gòu)，兩組腿部機(jī)構(gòu)對(duì)稱連接在背架上，所述腿部機(jī)構(gòu)包括大腿、小腿、足部、髖執(zhí)行器、膝執(zhí)行器、踝執(zhí)行器、髖編碼器、膝編碼器、踝編碼器和定位傳感器，大腿、小腿和足部依次連接，大腿頂端與背架轉(zhuǎn)動(dòng)連接，髖執(zhí)行器兩端分別與背架和大腿轉(zhuǎn)動(dòng)連接，膝執(zhí)行器兩端分別與大腿和小腿連接，踝執(zhí)行器兩端分別與小腿和足部連接，髖編碼器設(shè)置在背架和大腿連接處，膝編碼器設(shè)置在大腿和小腿連接處，踝編碼器設(shè)置在小腿和足部連接處，定位傳感器設(shè)置在足部上。

一種基于異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置的控制方法，方法步驟如下：

步驟1、構(gòu)建異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置的機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，轉(zhuǎn)入步驟2；

步驟2、穿戴者穿戴好異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置之后，開機(jī)，保持站立靜止?fàn)顟B(tài)若干時(shí)間，調(diào)整腿部機(jī)構(gòu)的各關(guān)節(jié)執(zhí)行器，以適應(yīng)穿戴者身高，同步進(jìn)行各關(guān)節(jié)編碼器及定位傳感器初始信息的采集，轉(zhuǎn)入步驟3；

步驟3、穿戴者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過足部的彈性綁帶上的定位傳感器，采集穿戴者足部位置及角度信息，轉(zhuǎn)入步驟4；

步驟4、利用構(gòu)建的機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，將穿戴者的足部位置及角度信息進(jìn)行逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，獲取所述異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置的髖、膝、踝關(guān)節(jié)所需運(yùn)動(dòng)信息，轉(zhuǎn)入步驟5；

步驟5、依據(jù)上述髖、膝、踝關(guān)節(jié)所需運(yùn)動(dòng)信息，控制相應(yīng)關(guān)節(jié)執(zhí)行器進(jìn)行輸出，并利用編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測腿部機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)角度信息是否正確，以保證異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置的足部與穿戴者足部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，轉(zhuǎn)入步驟6；

步驟6、返回步驟3，實(shí)現(xiàn)穿戴者與所述異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置之間的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）本發(fā)明的關(guān)節(jié)與人體關(guān)節(jié)無對(duì)應(yīng)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)人體多種運(yùn)動(dòng)，不會(huì)因裝置關(guān)節(jié)的單一鉸鏈形式對(duì)人體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉；（2）采用異構(gòu)的方式，肢體后置，負(fù)載重力落在機(jī)構(gòu)與執(zhí)行器形成的支撐面內(nèi)，機(jī)構(gòu)能將負(fù)載重力傳遞到地面，提高負(fù)載助力能力，降低穿戴者疲勞；（3）結(jié)構(gòu)形式簡單，可通過控制執(zhí)行器的伸縮長度實(shí)現(xiàn)裝置與不同身高穿戴者之間的匹配；（4）少量傳感器的使用既能準(zhǔn)確獲取所需人體足部運(yùn)動(dòng)信息，又能降低控制難度；（5）可實(shí)現(xiàn)對(duì)穿戴者的負(fù)載進(jìn)行助力，協(xié)助士兵、消防員等需進(jìn)行負(fù)重行走的人員運(yùn)動(dòng)，降低人體疲勞，本發(fā)明運(yùn)用范圍廣泛，可適用于不同場合，具有廣闊前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置的整體機(jī)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的穿戴示意圖。

圖3為本發(fā)明異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置的助力原理示意圖。

圖4為本發(fā)明異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置控制方法流程圖。

1-背架，2-大腿，3-小腿，4-足部，5-髖執(zhí)行器，6-膝執(zhí)行器，7-踝執(zhí)行器，8-髖編碼器，9-膝編碼器，10-踝編碼器，11-定位傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1-圖4所示，本發(fā)明所述的一種異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置，包括背架1和兩組腿部機(jī)構(gòu)，兩組腿部機(jī)構(gòu)對(duì)稱連接在背架1上，所述腿部機(jī)構(gòu)包括大腿2、小腿3、足部4、髖執(zhí)行器5、膝執(zhí)行器6、踝執(zhí)行器7、髖編碼器8、膝編碼器9、踝編碼器10和定位傳感器11，大腿2、小腿3和足部4依次連接，大腿2頂端與背架1轉(zhuǎn)動(dòng)連接，髖執(zhí)行器5兩端分別與背架1和大腿2轉(zhuǎn)動(dòng)連接，膝執(zhí)行器6兩端分別與大腿2和小腿3連接，踝執(zhí)行器7兩端分別與小腿3和足部4連接，髖編碼器8設(shè)置在背架1和大腿2連接處，膝編碼器9設(shè)置在大腿2和小腿3連接處，踝編碼器10設(shè)置在小腿3和足部4連接處，定位傳感器11設(shè)置在足部4上。

所述背架1包括背板連接架1-1和托盤1-2，背板連接架1-1與托盤1-2成一定角度固連，托盤1-2底部固連有兩組髖第一驅(qū)動(dòng)安裝座和髖第一連接座；托盤1-2與大腿2通過髖第一連接座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，構(gòu)成髖關(guān)節(jié)，髖編碼器8設(shè)置在髖關(guān)節(jié)上，固定端與髖第一連接座相連，髖第一驅(qū)動(dòng)安裝座與髖執(zhí)行器5的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接。另外，背板連接架1-1上設(shè)置有用于與穿戴者交互的肩帶、腰帶，控制系統(tǒng)可放置于背架1上，背架1還可根據(jù)實(shí)際需要布置其他物品及負(fù)重。

所述大腿2包括髖第二連接座、大腿連接桿、髖第二驅(qū)動(dòng)安裝座、膝第一驅(qū)動(dòng)安裝座和膝第一連接座，所述髖第二連接座固連在大腿連接桿的頂端，髖第二驅(qū)動(dòng)安裝座、膝第一驅(qū)動(dòng)安裝座分別固連在大腿連接桿的兩側(cè)，膝第一連接座固連在大腿連接桿底端；髖第二連接座與背架1轉(zhuǎn)動(dòng)連接，并與髖編碼器8的旋轉(zhuǎn)端固連，髖執(zhí)行器5另一端與髖第二驅(qū)動(dòng)安裝座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，膝執(zhí)行器6一端與膝第一驅(qū)動(dòng)安裝座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，膝第一連接座與小腿3轉(zhuǎn)動(dòng)連接，構(gòu)成膝關(guān)節(jié)，膝編碼器9設(shè)置在膝關(guān)節(jié)上，固定端與膝第一連接座相連。

所述小腿3包括膝第二連接座、小腿連接桿、膝第二驅(qū)動(dòng)安裝座、踝第一驅(qū)動(dòng)安裝座和踝第一連接座，所述膝第二連接座固連在小腿連接桿的頂端，膝第二驅(qū)動(dòng)安裝座、踝第一驅(qū)動(dòng)安裝座分別固連在小腿連接桿的兩側(cè)，踝第一連接座固連在小腿連接桿底端；膝第二連接座與大腿2轉(zhuǎn)動(dòng)連接，并與膝編碼器9的旋轉(zhuǎn)端固連，膝執(zhí)行器6另一端與膝第二驅(qū)動(dòng)安裝座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，踝執(zhí)行器7一端與踝第一驅(qū)動(dòng)安裝座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，踝第一連接座與足部4轉(zhuǎn)動(dòng)連接，構(gòu)成踝關(guān)節(jié)，踝編碼器10設(shè)置在踝關(guān)節(jié)上，固定端與踝第一連接座相連。

所述足部4包括足底連接板、踝第二連接座和踝第二驅(qū)動(dòng)安裝座，踝第二連接座固連在足底連接板中部，踝第二驅(qū)動(dòng)安裝座固連在足底連接板末端，足底連接板前掌設(shè)置有彈性綁帶，彈性綁帶上設(shè)置有定位傳感器11；踝第二連接座與小腿3轉(zhuǎn)動(dòng)連接，并與踝編碼器10的旋轉(zhuǎn)端固連；踝執(zhí)行器7的另一端與踝第二驅(qū)動(dòng)安裝座轉(zhuǎn)動(dòng)連接。

髖執(zhí)行器5、膝執(zhí)行器6和踝執(zhí)行器7可以是但不限于液壓缸、氣動(dòng)缸、直線電機(jī)、氣動(dòng)肌肉。髖編碼器8、膝編碼器9和踝編碼器10為同一型號(hào)編碼器，可提高裝置器件利用率，降低裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造及裝配難度。

圖2為穿戴者穿戴本發(fā)明的示意圖，通過背板連接架1-1上設(shè)置的肩帶及腰帶，將穿戴者上軀干與本發(fā)明背架1相連接，同時(shí)利用本發(fā)明裝置足部4上設(shè)置的彈性綁帶，連接穿戴者的足部與本發(fā)明裝置的足部4；通過上述兩處的連接，實(shí)現(xiàn)穿戴者對(duì)異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置快速便捷穿戴。

圖3為本發(fā)明異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置助力原理示意圖，當(dāng)穿戴者穿戴本發(fā)明進(jìn)行負(fù)載背負(fù)時(shí)，負(fù)載重力g的作用線（圖3所示虛線）落在本發(fā)明的腿部機(jī)構(gòu)所構(gòu)成的平面內(nèi)，即本發(fā)明能較好地將負(fù)載的重力傳遞到地面，從而減小穿戴者的所受的重力，降低其疲勞感。

一種基于異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置的控制方法，流程如圖4所示，方法步驟如下：

步驟1、構(gòu)建異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置的機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，轉(zhuǎn)入步驟2；

步驟2、穿戴者穿戴好異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置之后，開機(jī)，保持站立靜止?fàn)顟B(tài)若干時(shí)間，調(diào)整腿部機(jī)構(gòu)的各關(guān)節(jié)執(zhí)行器，以適應(yīng)穿戴者身高，同步進(jìn)行各關(guān)節(jié)編碼器及定位傳感器初始信息的采集，轉(zhuǎn)入步驟3；

步驟3、穿戴者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過足部4的彈性綁帶上的定位傳感器11，采集穿戴者足部位置及角度信息，轉(zhuǎn)入步驟4；

步驟4、利用構(gòu)建的機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，將穿戴者的足部位置及角度信息進(jìn)行逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，獲取所述異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置的髖、膝、踝關(guān)節(jié)所需運(yùn)動(dòng)信息，轉(zhuǎn)入步驟5；

步驟5、依據(jù)上述髖、膝、踝關(guān)節(jié)所需運(yùn)動(dòng)信息，控制相應(yīng)關(guān)節(jié)執(zhí)行器進(jìn)行輸出，并利用編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測腿部機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)角度信息是否正確，以保證異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置的足部4與穿戴者足部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，轉(zhuǎn)入步驟6；

步驟6、返回步驟3，實(shí)現(xiàn)穿戴者與所述異構(gòu)穿戴式負(fù)載助力裝置之間的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。