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外骨骼的控制方法及装置

阅读：17发布：2020-05-14

专利汇可以提供外骨骼的控制方法及装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本申请涉及一种外骨骼的控制方法及装置，属于人工智能技术领域，该方法包括：获取人体一半的质量信息和人体的关节力矩信息，获取外骨骼一半的质量信息，根据所述人体的质量信息、所述人体的关节力矩信息以及所述外骨骼的质量信息，计算人体在蹲起、搬移和托举时外骨骼的关节力矩信息；根据所述外骨骼的关节力矩信息控制外骨骼运动，解决了负重搬运外骨骼的力矩分配难题，即为外骨骼关节电机以及液压选型提供科学依据，又帮助分析搬运的力矩及功率时序图，使得负重搬运外骨骼的机械、电气以及控制更加科学化，对整个外骨骼行业都有着极大的参考价值。，下面是外骨骼的控制方法及装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种外骨骼的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取人体一半的质量信息和人体在搬运质量为a的货物时的关节力矩信息；所述人体一半的质量信息包括：踝关节以上质量m1，膝关节以上质量m2，髋关节以上质量m3，大臂、小臂和手掌质量m4，小臂和手掌质量m5、手掌质量m6以及人体的总质量m；a为人体所能搬运的货物的质量，所述人体的关节力矩信息包括：踝关节力矩T1，膝关节力矩T2，髋关节力矩T3，肩关节力矩T4，肘关节力矩T5以及腕关节力矩T6；
获取外骨骼一半的质量信息，所述外骨骼的质量信息包括：外骨骼踝关节以上质量M1，外骨骼膝关节以上质量M2，外骨骼髋关节以上质量M3，外骨骼大臂、小臂和手掌质量M4，外骨骼小臂和手掌质量M5、外骨骼手掌质量M6以及外骨骼的总质量M；
根据所述人体的质量信息、所述人体在搬运质量为a的货物时的关节力矩信息以及所述外骨骼的质量信息，计算人体在搬运所需搬运质量为b的货物且在蹲起、搬移和托举时外骨骼的关节力矩信息，b为人体所需搬运的货物的质量，所述人体的关节力矩信息包括：踝关节力矩T′1，膝关节力矩T′2，髋关节力矩T′3，肩关节力矩T′4，肘关节力矩T′5以及腕关节力矩T′6。
根据所述外骨骼的关节力矩信息控制外骨骼运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述人体的质量信息、所述人体在搬运货物质量为a时的关节力矩信息以及所述外骨骼的质量信息，计算人体在搬运所需的货物且在蹲起时外骨骼的关节力矩信息，包括：
根据人体的第i个质量mi、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算所述蹲起时外骨骼的第i个力矩T′i，i＝1，2...6。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，蹲起时所述外骨骼的第i个力矩T′i为：
其中，∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述人体的质量信息、所述人体在搬运货物质量为a时的关节力矩信息以及所述外骨骼的质量信息，计算人体在搬移时外骨骼的关节力矩信息，包括：
根据人体的第i个质量mi、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算所述搬移时外骨骼上肢的第i个力矩T′i，i＝4，5，6；
根据人体的第i个质量mi、人体的总质量m、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、所述外骨骼的总质量M、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算搬移时单腿支撑所述外骨骼下肢的第i个力矩T′i，i＝1，2，3；
根据人体的第i个质量mi、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、左脚底的压力值F左、右脚底压力值F右、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算搬移时双腿支撑所述外骨骼下肢的第i个力矩T′i，i＝1，2，3。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，搬移时所述外骨骼上肢的第i个力矩T′i为：
其中∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，搬移时所述外骨骼在单腿支撑期下肢的第i个力矩T′i为：
支撑腿：
摆动腿：
其中∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，搬移时所述外骨骼在双腿支撑期下肢的第i个力矩T′i分别为：
其中σ＝F左/(F右+F左)，0＜∈＜1；其中F左为左脚底压力值，F右为右脚底压力值；∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述人体的质量信息、所述人体的关节力矩信息以及所述外骨骼的质量信息，计算人体在托举时外骨骼的关节力矩信息，包括：
根据人体的第i个质量mi、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算所述外骨骼在托举时第i个力矩T′i，i＝1，2...6。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，托举时所述外骨骼的第i个力矩T′i为：
其中∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。
10.一种外骨骼的控制装置，其特征在于，所述控制装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行上述指令以实现如权利要求
1至9任一所述的控制方法。

说明书全文

外骨骼的控制方法及装置

技术领域

[0001] 本申请涉及外骨骼的控制方法及装置，属于人工智能技术领域。

背景技术

[0002] 随着我国经济的快速发展，物流行业已经成为我国经济发展中的支柱行业，据统计，2017年我国社会物流总费用达到252.8万亿元，占同期GDP的比重为14.9％。但目前物流行业在货物仓库及装车的过程中主要还是依靠单纯的人力搬运来完成，通过某物流公司2018年618数据表明，一线仓储工人光搬运20kg的饮料酒水商品，一天就需要弯腰3000次，持续操作这样的商品对工人的腰部造成非常大的影响。所以仓储物流行业急需具备托举搬移功能的负重搬运外骨骼来提升仓储系统的运营效率，减轻员工的劳动负荷。具备托举搬移功能的全身外骨骼目前即将进入高速发展期，国内多家研究所及高效均在从事该方面的研究，随着五到十年后技术发展成熟，其将迎来广阔的市场，当下抓住时机，突破关键技术才能在未来市场内占领一席之地。

[0003] 目前科研机构和公司使用类推方法，从低负载实验所得的数据，进行转换得到高负载数据。目前常用的方法是通过低负载实验数据进行倍数转换，得到目标负载的数据；如正常负载akg，所得数据为A，则直接通过简单的倍数算法，得到目标负载bkg的所需数据B＝b/a*A。因为负载的质量对人体上下肢每个关节的作用力是不一样的，所以这样的倍数转换误差非常大。发明内容

[0004] 本申请提供了一种外骨骼的控制方法及装置，可以解决现有方案中负重搬运外骨骼的力矩分配难题的问题。本申请提供如下技术方案：

[0005] 第一方面，提供了一种外骨骼的控制方法，所述方法包括：

[0006] 获取人体一半的质量信息和人体在搬运质量为a的货物时的关节力矩信息；所述人体一半的质量信息包括：踝关节以上质量m1，膝关节以上质量m2，髋关节以上质量m3，大臂、小臂和手掌质量m4，小臂和手掌质量m5、手掌质量m6以及人体的总质量m；a为人体所能搬运的货物的质量，所述人体的关节力矩信息包括：踝关节力矩T1，膝关节力矩T2，髋关节力矩T3，肩关节力矩T4，肘关节力矩T5以及腕关节力矩T6；

[0007] 获取外骨骼一半的质量信息，所述外骨骼的质量信息包括：外骨骼踝关节以上质量M1，外骨骼膝关节以上质量M2，外骨骼髋关节以上质量M3，外骨骼大臂、小臂和手掌质量M4，外骨骼小臂和手掌质量M5、外骨骼手掌质量M6以及外骨骼的总质量M；

[0008] 根据所述人体的质量信息、所述人体在搬运质量为a的货物时的关节力矩信息以及所述外骨骼的质量信息，计算人体在搬运所需搬运质量为b的货物且在蹲起、搬移和托举时外骨骼的关节力矩信息；b为人体所需搬运的货物的质量，所述人体的关节力矩信息包括：踝关节力矩T′1，膝关节力矩T′2，髋关节力矩T′3，肩关节力矩T′4，肘关节力矩T′5以及腕关节力矩T′6。

[0009] 根据所述外骨骼的关节力矩信息控制外骨骼运动。

[0010] 可选的，所述根据所述人体的质量信息、所述人体在搬运质量为a的货物时的关节力矩信息以及所述外骨骼的质量信息，计算人体在搬运所需搬运质量为b的货物且在蹲起时外骨骼的关节力矩信息，包括：

[0011] 根据人体的第i个质量mi、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算蹲起时所述外骨骼的第i个力矩T′i，i＝1,2…6。

[0012] 可选的，所述外骨骼的第i个力矩T′i为：

[0013]

[0014] 其中，∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。

[0015] 可选的，所述根据所述人体的质量信息、所述人体的关节力矩信息以及所述外骨骼的质量信息，计算人体在搬移时外骨骼的关节力矩信息，包括：

[0016] 根据人体的第i个质量mi、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算搬移时所述外骨骼上肢的第i个力矩T′i，i＝4,5,6；

[0017] 根据人体的第i个质量mi、人体的总质量m、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、所述外骨骼的总质量M、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算搬移时所述外骨骼在单腿支撑期的第i个力矩T′i，i＝1,2,3；

[0018] 根据人体的第i个质量mi、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、左脚底的压力值F左、右脚底压力值F右、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算搬移时所述外骨骼在双腿支撑期的第i个力矩T′i，i＝1,2,3。

[0019] 可选的，所述外骨骼上肢的第i个力矩T′i为：

[0020]

[0021] 其中∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。

[0022] 可选的，单腿支撑时所述外骨骼下肢的第i个力矩T′i为：

[0023] 支撑腿：

[0024] 摆动腿：

[0025] 其中∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。

[0026] 可选的，双腿支撑时所述外骨骼下肢的第i个力矩T′i分别为：

[0027]

[0028]

[0029] 其中σ＝F左/(F右+F左)，0<∈<1；其中F左为左脚底压力值，F右为右脚底压力值；∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。

[0030] 可选的，所述根据所述人体的质量信息、所述人体的关节力矩信息以及所述外骨骼的质量信息，计算人体在托举时外骨骼的关节力矩信息，包括：

[0031] 根据人体的第i个质量mi、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算托举时所述外骨骼的第i个力矩T′i，i＝1,2…6。

[0032] 可选的，所述外骨骼的第i个力矩T′i为：

[0033]

[0034] 其中∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。

[0035] 第二方面，提供了一种外骨骼的控制装置，所述控制装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行上述指令以实现第一方面所述的控制方法。

[0036] 本申请的有益效果在于：通过上述计算方式可以准确计算得到高负载下的外骨骼的动力学数据，解决了负重搬运外骨骼的力矩分配难题，即为外骨骼关节电机以及液压选型提供科学依据，又帮助分析搬运的力矩及功率时序图，使得负重搬运外骨骼的机械、电气以及控制更加科学化，对整个外骨骼行业都有着极大的参考价值。

[0037] 上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

[0038] 图1是本申请一个实施例提供的外骨骼的控制方法的流程图；

[0039] 图2是本申请一个实施例提供的人体搬运货物蹲起的示意图；

[0040] 图3是本申请一个实施例提供的人体搬运货物行走的示意图；

[0041] 图4是本申请一个实施例提供的双脚压力变化的示意图；

[0042] 图5是本申请一个实施例提供的人体搬运货物行走的示意图。

具体实施方式

[0043] 下面结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。

[0044] 请参考图1，其示出了本申请一个实施例提供的外骨骼的控制方法的方法流程图，如图1所示，该控制方法包括：

[0045] 步骤101，获取人体一半的质量信息和人体的关节力矩信息。

[0046] 其中，所述人体的质量信息包括：踝关节以上质量m1，膝关节以上质量m2，髋关节以上质量m3，大臂、小臂和手掌质量m4，小臂和手掌质量m5、手掌质量m6以及人体的总质量m；所述人体的关节力矩信息是指人体在搬运所能搬运的质量为a的货物时的关节力矩信息，该关节力矩信息包括：踝关节力矩T1，膝关节力矩T2，髋关节力矩T3，肩关节力矩T4，肘关节力矩T5以及腕关节力矩T6。

[0047] 步骤102，获取外骨骼一半的质量信息。

[0048] 其中，所述外骨骼的质量信息包括：外骨骼踝关节以上质量M1，外骨骼膝关节以上质量M2，外骨骼髋关节以上质量M3，外骨骼大臂、小臂和手掌质量M4，外骨骼小臂和手掌质量M5、外骨骼手掌质量M6以及外骨骼的总质量M。

[0049] 步骤103，根据所述人体的质量信息、所述人体的关节力矩信息以及所述外骨骼的质量信息，计算人体在蹲起、搬移和托举时外骨骼的关节力矩信息。

[0050] 所需计算的外骨骼的关节力矩信息为人体在搬运所需搬运的质量为b的货物时的关节力矩信息。

[0051] 可选的，请参考图2，人体在搬运货物时双腿接触地，将货物搬起，此时人体的双足压力平均分布，因此，计算蹲起时外骨骼的关节力矩信息的步骤可以包括：

[0052] 根据人体的第i个质量mi、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算蹲起时所述外骨骼的第i个力矩T′i，i＝1,2…6。

[0053] 具体的，所述外骨骼的第i个力矩为：

[0054]

[0055] 其中，∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。

[0056] 其中，a为人体所能搬运的重量，b为外骨骼所需搬运的质量，通常情况下，a小于b。

[0057] 请参考图3，在人体将货物搬起并从蹲起状态更改为直立状态时，人体两个上肢的压力相同，此时，计算上肢的关节力矩信息的步骤为：

[0058] 根据人体的第i个质量mi、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算搬移时所述外骨骼上肢的第i个力矩T′i，i＝4,5,6。

[0059] 所述外骨骼上肢的第i个力矩T′i为：

[0060]

[0061] 其中∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。

[0062] 人体变为直立之后，在搬运过程中，两腿交叉支撑，也即可以分为左腿支撑右腿摆动，以及右腿支撑左腿摆动两种，且两腿单腿支撑的方式一致，因此此时计算单腿支撑的关节力矩信息的步骤可以包括：

[0063] 根据人体的第i个质量mi、人体的总质量m、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、所述外骨骼的总质量M、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算搬移时所述外骨骼在单腿支撑期的第i个力矩T′i，i＝1,2,3。

[0064] 单腿支撑时所述外骨骼的第i个力矩T′i为：

[0065] 支撑腿：

[0066] 摆动腿：

[0067] 当然，在人体搬运货物时存在双腿站立的场景，此时，双腿的足底压力是随着时间变化的过程，请参考图4，其示出了双脚压力变化的示意图，此时，计算外骨骼的关节力矩信息的步骤包括：

[0068] 根据人体的第i个质量mi、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、左脚底的压力值F左、右脚底压力值F右、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算搬移时所述外骨骼在双腿支撑期的第i个力矩T′i，i＝1,2,3。

[0069] 双腿支撑时所述外骨骼的第i个力矩T′i分别为：

[0070]

[0071]

[0072] 其中σ＝F左/(F右+F左)，0<∈<1；其中F左为左脚底压力值，F右为右脚底压力值；∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。

[0073] 最后，请参考图5，当人体将货物托举时，与蹲起动作类似，都是双腿接触地、身体垂直站立且双足压力平均分布，此时，计算外骨骼的关节力矩信息的步骤包括：

[0074] 根据人体的第i个质量mi、人体在搬运质量为a时第i个力矩Ti、所述外骨骼的第i个质量Mi、人体所能搬运的质量a以及所需搬运的货物的质量b，计算托举时所述外骨骼的第i个力矩T′i，i＝1,2…6。

[0075] 具体的：

[0076]

[0077] 其中∈为外骨骼的助力系数，表示为可穿戴型外骨骼的助力效率。

[0078] 步骤104，根据所述外骨骼的关节力矩信息控制外骨骼运动。

[0079] 通过上述计算方式可以准确计算得到高负载下的外骨骼的动力学数据，解决了负重搬运外骨骼的力矩分配难题，即为外骨骼关节电机以及液压选型提供科学依据，又帮助分析搬运的力矩及功率时序图，使得负重搬运外骨骼的机械、电气以及控制更加科学化，对整个外骨骼行业都有着极大的参考价值。

[0080] 可选地，本申请还提供有一种外骨骼的控制装置，所述控制装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行上述指令以实现如上所述的控制方法。

[0081] 可选地，本申请还提供有一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有程序，所述程序由处理器加载并执行以实现上述方法实施例的外骨骼的控制方法。

[0082] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0083] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

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