一种柔性髋关节助力外骨骼及其控制方法

1.本发明属于下肢助力外骨骼技术领域，具体是一种柔性髋关节助力外骨骼及其控制方法。
技术背景
2.下肢助力外骨骼可分为刚性外骨骼和柔性外骨骼，其中，刚性外骨骼能够为髋关节、膝关节运动提供助力的同时还可以辅助支撑承重，将支撑重物的重量通过外骨骼传递至地面，减轻穿戴者的负重。但是刚性外骨骼存在关节中心与人体关节中心对齐难、灵活性差等不足，进而产生较大的人机交互力，影响穿戴舒适性。而柔性外骨骼因克服了刚性外骨骼存在的不足而受到更多关注，在具有良好穿戴舒适性的同时能够为穿戴者提供助力。
3.近年来，研究者们对柔性外骨骼、外骨骼助力相位识别与人体运动模式识别进行了深入研究。日本九州大学开发了一款柔性下肢外骨骼，采用柔性材料组成，对穿戴者的关节活动没有限制，并通过集成的陀螺仪检测髋关节角度，从而得到助力阶段和助力大小。但是，该下肢外骨骼只能对髋关节屈曲进行助力，而忽视了髋关节伸展，不能辅助髋关节伸展。此外，现有的下肢外骨骼大多只是针对髋关节屈曲或伸展单一阶段进行助力。
4.综上，本发明设计了一款柔性髋关节助力外骨骼，在髋关节屈曲和伸展阶段均能够为穿戴者提供助力，而且穿戴舒适，不会限制人体运动自由度。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种柔性髋关节助力外骨骼及其控制方法。
6.本发明解决所述技术问题采用的技术方案如下：
7.本发明提供一种柔性髋关节助力外骨骼，其特征在于，该外骨骼包括后侧驱动单元、右前侧驱动单元、左前侧驱动单元、左后侧鲍登线、右后侧鲍登线、左膝关节柔性绑缚结构、右膝关节柔性绑缚结构、柔性仿生马甲、左前侧柔性带和右前侧柔性带；其中，后侧驱动单元位于柔性仿生马甲的后侧，左后侧鲍登线和右后侧鲍登线均与后侧驱动单元连接，左后侧鲍登线还与左膝关节柔性绑缚结构连接，右后侧鲍登线还与右膝关节柔性绑缚结构连接；右前侧驱动单元和左前侧驱动单元对称安装在柔性仿生马甲的前侧，左前侧柔性带与左前侧驱动单元和左膝关节柔性绑缚结构连接，右前侧柔性带与右前侧驱动单元和右膝关节柔性绑缚结构连接；后侧驱动单元控制左后侧鲍登线和右后侧鲍登线收紧与释放，两个前侧驱动单元控制各自的柔性带收紧与释放，通过柔性带和鲍登线相互配合，对髋关节屈曲和伸展进行助力。
8.进一步的，所述左前侧驱动单元包括左前侧驱动箱、卷筒电机支撑座、主动齿轮、从动齿轮、卷筒和卷筒电机；卷筒电机支撑座安装在左前侧驱动箱的底板上，卷筒和卷筒电机均安装在卷筒电机支撑座上，主动齿轮与卷筒电机连接，从动齿轮与卷筒一端的转轴连接，从动齿轮与主动齿轮啮合，卷筒用于缠绕左前侧柔性带。
9.进一步的，所述后侧驱动单元包括后侧驱动箱、电机固定架、一号电机、二号电机、二号线轮和一号线轮；电机固定架安装在后侧驱动箱的底板上，一号电机和二号电机安装在电机固定架上，一号线轮与一号电机连接，二号线轮与二号电机连接，一号线轮用于缠绕左后侧鲍登线，二号线轮用于缠绕右后侧鲍登线。
10.进一步的，所述左膝关节柔性绑缚结构包括两个转动连接的柔性绑缚件，一个柔性绑缚件穿戴在人体大腿下部，另一个柔性绑缚件穿戴在人体小腿上部。
11.本发明还提供一种上述柔性髋关节助力外骨骼的控制方法，包括以下内容：
12.采集人体行走过程中左、右膝关节的角度、角速度和角加速度，将采集的这些数据作为一个样本并进行标准化处理，将标准化后的样本输入到行走状态识别器中，对人体行走状态进行识别；若识别结果为平地行走，则将标准化后的样本输入到助力时相识别器中，对助力时相进行识别；以左腿为基准，若助力时相识别器的识别结果为髋关节屈曲阶段，则左前侧柔性带进入助力阶段，左后侧鲍登线进入非助力阶段；若助力时相识别器的识别结果为髋关节伸展阶段，则左前侧柔性带进入非助力阶段，左后侧鲍登线进入助力阶段；
13.在左前侧柔性带助力阶段，根据左前侧驱动单元的卷筒电机期望转速和实际转速得到转速偏差，速度控制器通过pd控制将转速偏差转化为第一电流；同时，根据髋关节处的期望等效力矩和左前侧驱动单元的卷筒电机期望转速，得到前馈电流；将前馈电流与第一电流相加，得到左前侧驱动单元的卷筒电机输入电流，进而对左前侧驱动单元的卷筒电机进行控制，使左前侧柔性带收紧；前馈电流i表示为：
[0014][0015]
其中，ζ为摩擦修正系数，td为髋关节处的期望等效力矩，ri为i时刻左前侧驱动单元的卷筒半径，z1、z2分别为左前侧驱动单元的主动齿轮和从动齿轮的齿数，km为左前侧驱动单元的卷筒电机的转矩常数，l1为人体大腿的长度，j0为左前侧驱动单元的卷筒电机的转子转动惯量，j1、j2分别为左前侧驱动单元的主动齿轮和从动齿轮的转动惯量，为左前侧驱动单元的卷筒电机的加速度，b为左前侧驱动单元的卷筒电机的粘滞摩擦系数，ω为左前侧驱动单元的卷筒电机的期望转速；
[0016]
在左前侧柔性带非助力阶段，由左前侧驱动单元卷筒电机的期望转子角度和实际转子角度，得到转子位置偏差；线性自抗扰控制器将转子位置偏差转化为左前侧驱动单元的卷筒电机输入电流，进而对左前侧驱动单元的卷筒电机进行控制，使左前侧柔性带释放。
[0017]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0018]
1.本发明设计了一款新型的柔性髋关节助力外骨骼，利用鲍登线和柔性带连接柔性仿生马甲和膝关节柔性绑缚结构，通过柔性带和鲍登线的收紧和释放为髋关节屈曲和伸展提供助力。只有柔性仿生马甲和膝关节柔性绑缚结构穿戴在使用者身上，而且柔性仿生马甲和膝关节柔性绑缚结构均采用柔性材料制成，保证了穿戴舒适性。该外骨骼的大多数结构都设置在柔性仿生马甲的下部，因此外骨骼的绝大部分重量集中在人体重心附近，使穿戴者感受更加舒适，整体结构轻巧，不会阻碍人体下肢运动，整体重量轻仅为4kg左右(包含电池)，可独立完成穿戴。
[0019]
2.为了实现对髋关节屈曲和伸展的精准助力，通过双层感知技术控制外骨骼；在上层感知中，利用数据采集模块采集膝关节数据，根据膝关节数据对行走状态和助力时相
进行精准识别，进而确定外骨骼的助力与非助力阶段，克服了基于单一特征与阈值的传统检测方法错误率高的缺点。由于鲍登线或柔性带在助力和非助力阶段的状态不同，因此在底层控制中通过双模态切换控制策略实现鲍登线或柔性带收紧与释放的协调控制，即在助力阶段采用等效力矩控制策略使鲍登线或柔性带收紧产生张力，在非助力阶段采用基于线性自抗扰的位置控制实现鲍登线或柔性带的松弛，保证鲍登线或柔性带在非助力阶段不会阻碍人体运动，进而使外骨骼在穿戴者髋关节屈曲和伸展阶段均能够提供有效辅助，降低穿戴者代谢量。本发明的外骨骼对于由于下肢肌肉衰弱的老人年外出行走、改善步态、预防摔倒都具有积极作用。
附图说明
[0020]
图1为整体结构示意图；
[0021]
图2为整体结构的正视图；
[0022]
图3为后侧驱动单元的爆炸图；
[0023]
图4为控制单元的结构示意图；
[0024]
图5为左前侧驱动单元的结构示意图；
[0025]
图6为左前侧驱动单元的爆炸图；
[0026]
图7为柔性仿生马甲的结构示意图；
[0027]
图8为柔性仿生马甲的正视图；
[0028]
图9为膝关节柔性绑缚结构的示意图；
[0029]
图10为助力阶段的控制流程图；
[0030]
图11为非助力阶段的控制流程图；
[0031]
附图标记：1-后侧驱动单元；2-右前侧驱动单元；3-左后侧鲍登线；4-右后侧鲍登线；5-左膝关节柔性绑缚结构；6-右膝关节柔性绑缚结构；7-数据采集模块；8-柔性仿生马甲；9-左前侧驱动单元；10-左前侧柔性带；11-右前侧柔性带；12-控制单元；
[0032]
101-后侧驱动器；102-电机固定架；103-一号电机；104-二号电机；105-二号线轮；106-一号电机驱动器；107-二号电机驱动器；108-二号线轮；501-柔性套环；502-吊耳；701-称重测力传感器；702-imu惯性传感器；703-数据采集板；801-肩带；802-腰带；803-内衬背板；901-左前侧驱动箱；902-卷筒电机支撑座；903-主动齿轮；904-从动齿轮；905-左前侧驱动单元支撑架；906-卷筒；907-卷筒电机；908-卷筒电机驱动器；1201-电源管理板；1202-电机控制板；1203-处理器。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图给出具体实施例，具体实施例仅用于对本发明的技术方案进行详细描述，并不以此限定本技术的保护范围。
[0034]
本发明提供一种柔性髋关节助力外骨骼(简称外骨骼，参见图1～11)，包括后侧驱动单元1、右前侧驱动单元2、左前侧驱动单元9、左后侧鲍登线3、右后侧鲍登线4、左膝关节柔性绑缚结构5、右膝关节柔性绑缚结构6、柔性仿生马甲8、左前侧柔性带10和右前侧柔性带11；
[0035]
其中，柔性仿生马甲8穿戴在使用者上身，后侧驱动单元1安装在柔性仿生马甲8的
后侧，左后侧鲍登线3和右后侧鲍登线4的上端均与后侧驱动单元1连接，左后侧鲍登线3的下端与左膝关节柔性绑缚结构5的后侧连接，右后侧鲍登线4的下端与右膝关节柔性绑缚结构6的后侧连接；右前侧驱动单元2和左前侧驱动单元9对称安装在柔性仿生马甲8的前侧，左前侧柔性带10的上端与左前侧驱动单元9连接，左前侧柔性带10的下端与左膝关节柔性绑缚结构5的前侧连接，右前侧柔性带11的上端与右前侧驱动单元2连接，右前侧柔性带11的下端与右膝关节柔性绑缚结构6的前侧连接，左膝关节柔性绑缚结构5和右膝关节柔性绑缚结构6分别穿戴在使用者左膝关节和右膝关节；后侧驱动单元1用于实现左后侧鲍登线3和右后侧鲍登线4的收紧与释放，左前侧驱动单元9用于实现左前侧柔性带10的收紧与释放，右前侧驱动单元2用于实现右前侧柔性带11的收紧与释放，通过两个柔性带和两条鲍登线相互配合，对髋关节的屈曲和伸展进行助力。
[0036]
参见图3、4，所述后侧驱动单元1包括后侧驱动箱101、电机固定架102、一号电机103、二号电机104、二号线轮105、一号电机驱动器106、二号电机驱动器107和一号线轮108；其中，电机固定架102安装在后侧驱动箱101的底板上，一号电机103和二号电机104的中部嵌在电机固定架102上，一号电机103通过减速器与一号线轮108连接，二号电机104通过减速器与二号线轮105连接，一号线轮108用于缠绕右后侧鲍登线4，二号线轮105用于缠绕左后侧鲍登线3；一号电机驱动器106通过导线分别与一号电机103和控制单元12的电机控制板1202连接，二号电机驱动器107通过导线分别与二号电机104和控制单元12的电机控制板1202连接；控制单元12的处理器1203通过串口通信将识别信息发送给电机控制板1202，电机控制板1202向相应的电机驱动器发送pwm信号，电机驱动器向相应的电机发送信号，进而驱动线轮转动，实现鲍登线收紧或释放，鲍登线收紧为髋关节伸展助力。
[0037]
右前侧驱动单元2和左前侧驱动单元9的结构对称，以左前侧驱动单元9为例进行详细介绍；参见图5、6，所述左前侧驱动单元9包括左前侧驱动箱901、卷筒电机支撑座902、主动齿轮903、从动齿轮904、左前侧驱动单元支撑架905、卷筒906、卷筒电机907和卷筒电机驱动器908；其中，左前侧驱动单元支撑架905与柔性仿生马甲8前侧的左下部固定连接，左前侧驱动箱901固定在左前侧驱动单元支撑架905上，两个卷筒电机支撑座902安装在左前侧驱动箱901的底板上，卷筒电机907安装在其中一个卷筒电机支撑座902上，卷筒电机907通过减速器与主动齿轮903连接，卷筒电机907通过导线与卷筒电机驱动器908和控制单元12的电机控制板1202连接；卷筒906两端的转轴与两个卷筒电机支撑座902转动连接，卷筒906用于缠绕左前侧柔性带10，从动齿轮904固定在卷筒906一端的转轴上，从动齿轮904与主动齿轮903啮合；控制单元12的处理器1203向电机控制板1202发送识别信号，电机控制板1202向卷筒电机驱动器908发送pwm信号，卷筒电机驱动器908向卷筒电机907发送信号，使卷筒电机907转动，进而驱动卷筒906转动，实现左前侧柔性带10的收紧或释放，左前侧柔性带10收紧为髋关节屈曲助力。
[0038]
参见图7、8，所述柔性仿生马甲8包括肩带801、腰带802和内衬背板803；两个肩带801的一端与腰带802的前侧缝合连接，另一端与内衬背板803的上端连接，内衬背板803的下端与腰带802的后侧缝合连接，内衬背板803的外侧包裹有尼龙织物，增强其稳定性，提高了穿戴的舒适性。
[0039]
参见图9，左膝关节柔性绑缚结构5和右膝关节柔性绑缚结构6的结构相同，以左膝关节柔性绑缚结构5为例，所述左膝关节柔性绑缚结构5包括柔性绑缚件，两个柔性绑缚件
501转动连接，其中一个柔性绑缚件安装在使用者大腿下部，另一个柔性绑缚件安装在使用者小腿上部。柔性绑缚件包括柔性套环501，柔性套环的两侧分别设有吊耳502，两个柔性绑缚件的吊耳502转动连接，以适应膝关节的弯曲。
[0040]
所述外骨骼还包括数据采集模块7；右膝关节柔性绑缚结构6和左膝关节柔性绑缚结构5处均安装有数据采集模块7，数据采集模块7包括称重测力传感器、imu惯性传感器和数据采集板，位于人体同侧的鲍登线和柔性带上均安装有称重测力传感器，用于测量鲍登线和柔性带的拉力；imu惯性传感器用于测量膝关节角度、角速度和角加速度，imu惯性传感器共包含9个通道；数据采集板集成了stm32f103c8t6芯片、max3485芯片和tja1050 can收发芯片，stm32f103c8t6芯片通过max3485芯片接收称重测力传感器采集的数据，通过uart串口通信接收imu惯性传感器采集的数据，并将采集的数据汇总通过can通信发送给处理器1203。
[0041]
所述外骨骼还包括控制单元12；控制单元12安装在后侧驱动单元1的后侧驱动箱101内，包括电源管理板1201、电机控制板1202和处理器1203；电源管理板1201起到降压作用，将电池的22.2v电压转换为5v进而为各个用电元件供电，电源管理板1201采用pw2815芯片，电池的型号为ace 1400mah 6s 22.245c；处理器1203通过can通信接受数据采集模块7采集的数据；电机控制板1202的核心芯片为stm32f429igt6，用于接收处理器1203发送的识别信息；，并向一号电机驱动器106、二号电机驱动器107和两个卷筒电机驱动器发送pwm信号，进而控制相应的电机转动。电机驱动器的型号为escon module 50/5；处理器1203采用jetson，计算能力强，可以部署深度学习模型实现感知决策；一号电机103、二号电机104和卷筒电机907的型号均为ecx torquz 22l brushless bldc motor，直径22mm，最大功率48w；各个电机处设有采集位置信息的电机编码器，型号为enx 22easy int1-1024次脉冲，3通道。
[0042]
本发明还提供一种柔性髋关节助力外骨骼的控制方法，该方法采用双层感知技术，在顶层感知中利用多传感数据融合实现髋关节屈曲和伸展阶段的识别，在底层控制中采用双模态切换控制策略对髋关节屈曲和伸展进行助力；包括以下内容：
[0043]
在人体行走过程中，利用两个数据采集模块7的imu惯性传感器采集膝关节的角度、角速度与角加速度，每个imu惯性传感器包含9个通道，将两个imu惯性传感器采集的一共18个原始数据作为一个样本，并根据式(1)进行标准化处理；
[0044][0045]
其中，x、x'分别表示标准化前、后的数据，表示平均值，σ表示标准差；
[0046]
将标准化后的样本输入到行走状态识别器中，对人体行走状态进行识别，若识别结果为平地行走，则将标准化后的样本输入到助力时相识别器中，对助力时相进行识别；以左腿为基准，若识别结果为髋关节屈曲阶段，则左前侧柔性带进入助力阶段，左后侧鲍登线进入非助力阶段，使左前侧柔性带收紧，左后侧鲍登线释放，对髋关节屈曲进行助力；若识别结果为髋关节伸展阶段，则左前侧柔性带进入非助力阶段，左后侧鲍登线进入助力阶段，使左后侧鲍登线收紧，左前侧柔性带释放，对髋关节伸展进行助力；以右腿为基准的髋关节助力同理；
[0047]
柔性带和鲍登线在助力阶段和非助力阶段的控制过程相同，以左前侧柔性带为
例，在助力阶段采用等效力矩控制策略，由髋关节处的期望等效力矩td和实际等效力矩tr得到等效力矩偏差te，导纳控制器将等效力矩偏差te转换为卷筒电机的期望转速ω；一方面，电机前馈模型根据期望等效力矩td和卷筒电机的期望转速ω，得到前馈电流；另一方面，由卷筒电机的期望转速ω和实际转速ω1得到转速偏差δω，速度控制器通过pd控制由转速偏差δω得到第一电流；前馈电流与第一电流相加，得到卷筒电机的输入电流，使卷筒电机提供稳定转速，驱动左前侧柔性带收紧，为髋关节屈曲提供助力；
[0048]
计算前馈电流的具体过程为：假定左前侧柔性带的拉力为f，左前侧柔性带与人体大腿之间的夹角为α，则左前侧柔性带产生的人机交互力为：
[0049]
f1＝fsinα(2)
[0050]
由人机交互力在髋关节处产生的实际等效力矩tr为：
[0051]
tr＝f1l1(3)
[0052]
其中，l1为人体大腿的长度；
[0053]
等效力矩偏差te为：
[0054]
te＝t
d-tr(4)
[0055]
根据柔性带的拉力计算卷筒电机的负载力矩t
l
为：
[0056][0057][0058]
其中，ri、r
i-1
分别为i和i-1时刻卷筒的半径，z1、z2分别为主动齿轮和从动齿轮的齿数，ζ为摩擦修正系数，h为柔性带厚度，ω1为卷筒电机的实际转速，t为时间；
[0059]
卷筒电机的运动方程为：
[0060][0061]
其中，t为卷筒电机的电磁转矩，为卷筒电机的加速度，b为卷筒电机的粘滞摩擦系数，j＝j0+j1+j2为卷筒电机的负载折算转动惯量，j0为卷筒电机转子转动惯量，j1、j2分别为主动齿轮和从动齿轮的转动惯量；
[0062]
由期望等效力矩td计算期望人机交互力fh为：
[0063][0064]
将式(8)代入式(5)可得，卷筒电机的负载力矩t
l
为：
[0065][0066]
卷筒电机的电磁转矩与绕组电流的关系式为：
[0067]
t＝kmi(10)
[0068]
其中，i为卷筒电机的绕组电流，km为卷筒电机的转矩常数；
[0069]
将卷筒电机的期望转速ω代入式(7)，并联立式(7)～(10)，得到卷筒电机的绕组电流，即前馈电流i为：
[0070][0071]
非助力阶段采用基于线性自抗扰的位置控制策略，由卷筒电机的期望转子角度θi和实际转子角度θ，得到转子位置偏差δθ＝θ
i-θ；线性自抗扰控制器(l_adrc)根据转子位置偏差得到卷筒电机的输入电流，实现左前侧柔性带的无阻碍释放，θi取决于上一时刻左前侧柔性带的收缩量。
[0072]
上述的行走状态识别器和助力时相识别器均为训练得到的神经网络模型，行走状态识别器能够识别平地环境下的站立、行走、逆时针转弯、顺时针转弯、逆时针转向和顺时针转向等状态；助力时相识别器为两个，每条腿对应一个助力时相识别器。
[0073]
本发明未述及之处适用于现有技术。

技术特征：
1.一种柔性髋关节助力外骨骼，其特征在于，该外骨骼包括后侧驱动单元、右前侧驱动单元、左前侧驱动单元、左后侧鲍登线、右后侧鲍登线、左膝关节柔性绑缚结构、右膝关节柔性绑缚结构、柔性仿生马甲、左前侧柔性带和右前侧柔性带；所述后侧驱动单元位于柔性仿生马甲的后侧，左后侧鲍登线和右后侧鲍登线均与后侧驱动单元连接，左后侧鲍登线还与左膝关节柔性绑缚结构连接，右后侧鲍登线还与右膝关节柔性绑缚结构连接；右前侧驱动单元和左前侧驱动单元对称安装在柔性仿生马甲的前侧，左前侧柔性带与左前侧驱动单元和左膝关节柔性绑缚结构连接，右前侧柔性带与右前侧驱动单元和右膝关节柔性绑缚结构连接；后侧驱动单元控制左后侧鲍登线和右后侧鲍登线收紧与释放，两个前侧驱动单元控制各自的柔性带收紧与释放，通过柔性带和鲍登线相互配合，对髋关节屈曲和伸展进行助力。2.根据权利要求1所述的柔性髋关节助力外骨骼，其特征在于，所述左前侧驱动单元包括左前侧驱动箱、卷筒电机支撑座、主动齿轮、从动齿轮、卷筒和卷筒电机；卷筒电机支撑座安装在左前侧驱动箱的底板上，卷筒和卷筒电机均安装在卷筒电机支撑座上，主动齿轮与卷筒电机连接，从动齿轮与卷筒一端的转轴连接，从动齿轮与主动齿轮啮合，卷筒用于缠绕左前侧柔性带。3.根据权利要求1所述的柔性髋关节助力外骨骼，其特征在于，所述后侧驱动单元包括后侧驱动箱、电机固定架、一号电机、二号电机、二号线轮和一号线轮；电机固定架安装在后侧驱动箱的底板上，一号电机和二号电机安装在电机固定架上，一号线轮与一号电机连接，二号线轮与二号电机连接，一号线轮用于缠绕左后侧鲍登线，二号线轮用于缠绕右后侧鲍登线。4.根据权利要求1所述的柔性髋关节助力外骨骼，其特征在于，所述左膝关节柔性绑缚结构包括两个转动连接的柔性绑缚件，一个柔性绑缚件穿戴在人体大腿下部，另一个柔性绑缚件穿戴在人体小腿上部。5.一种权利要求1～4任一所述的柔性髋关节助力外骨骼的控制方法，其特征在于，该方法包括以下内容：采集人体行走过程中左、右膝关节的角度、角速度和角加速度，将采集的这些数据作为一个样本并进行标准化处理，将标准化后的样本输入到行走状态识别器中，对人体行走状态进行识别；若识别结果为平地行走，则将标准化后的样本输入到助力时相识别器中，对助力时相进行识别；以左腿为基准，若助力时相识别器的识别结果为髋关节屈曲阶段，则左前侧柔性带进入助力阶段，左后侧鲍登线进入非助力阶段；若助力时相识别器的识别结果为髋关节伸展阶段，则左前侧柔性带进入非助力阶段，左后侧鲍登线进入助力阶段；在左前侧柔性带助力阶段，根据左前侧驱动单元的卷筒电机期望转速和实际转速得到转速偏差，速度控制器通过pd控制将转速偏差转化为第一电流；同时，根据髋关节处的期望等效力矩和左前侧驱动单元的卷筒电机期望转速，得到前馈电流；将前馈电流与第一电流相加，得到左前侧驱动单元的卷筒电机输入电流，进而对左前侧驱动单元的卷筒电机进行控制，使左前侧柔性带收紧；前馈电流i表示为：其中，ζ为摩擦修正系数，t
d
为髋关节处的期望等效力矩，r
i
为i时刻左前侧驱动单元的
卷筒半径，z1、z2分别为左前侧驱动单元的主动齿轮和从动齿轮的齿数，k
m
为左前侧驱动单元的卷筒电机的转矩常数，l1为人体大腿的长度，j0为左前侧驱动单元的卷筒电机的转子转动惯量，j1、j2分别为左前侧驱动单元的主动齿轮和从动齿轮的转动惯量，为左前侧驱动单元的卷筒电机的加速度，b为左前侧驱动单元的卷筒电机的粘滞摩擦系数，ω为左前侧驱动单元的卷筒电机的期望转速；在左前侧柔性带非助力阶段，由左前侧驱动单元卷筒电机的期望转子角度和实际转子角度，得到转子位置偏差；线性自抗扰控制器将转子位置偏差转化为左前侧驱动单元的卷筒电机输入电流，进而对左前侧驱动单元的卷筒电机进行控制，使左前侧柔性带释放。6.根据权利要求5所述的柔性髋关节助力外骨骼的控制方法，其特征在于，i时刻左前侧驱动单元的卷筒半径表示为：其中，r
i-1
为i-1时刻左前侧驱动单元的卷筒半径，h为左前侧柔性带厚度，ω1为左前侧驱动单元的卷筒电机实际转速，t为时间。

技术总结
本发明为一种柔性髋关节助力外骨骼及其控制方法，外骨骼包括后侧驱动单元、右前侧驱动单元、左前侧驱动单元、左后侧鲍登线、右后侧鲍登线、左膝关节柔性绑缚结构、右膝关节柔性绑缚结构、柔性仿生马甲、左前侧柔性带和右前侧柔性带；左后侧鲍登线连接后侧驱动单元和左膝关节柔性绑缚结构，右后侧鲍登线连接后侧驱动单元和右膝关节柔性绑缚结构，通过后侧驱动单元控制两根鲍登线收紧与释放；左前侧柔性带连接左前侧驱动单元和左膝关节柔性绑缚结构，右前侧柔性带连接右前侧驱动单元和右膝关节柔性绑缚结构，两个前侧驱动单元控制各自的柔性带收紧与释放，通过柔性带和鲍登线相互配合，对髋关节屈曲和伸展进行助力。方法通过双层感知技术控制外骨骼，上层感知通过多传感数据实现外骨骼助力时相的识别，在下层控制中利用双模态切换控制策略实现鲍登线或柔性带收紧与释放的协调控制。紧与释放的协调控制。紧与释放的协调控制。


技术研发人员：郭士杰 刘永 王佳鑫 刘磊 高伟杰
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/8/31