(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210415998.6 (22)申请日 2022.04.20 (71)申请人 中国科学院深圳先进技 术研究院 地址 518055 广东省深圳市南 山区深圳大 学城学苑大道1068号 (72)发明人 李鹏飞　徐克锋　吴新宇　王大帅　 孙健铨　李金科　张硕　傅睿卿　 (74)专利代理 机构 北京市诚辉律师事务所 11430 专利代理师 朱伟军　耿慧敏 (51)Int.Cl. B25J 9/00(2006.01) B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种腰部外骨骼机器人系统及其助力控制 方法 (57)摘要 本发明涉及一种腰部外骨骼机器人系统及 其助力控制方法。 一种腰部外骨骼机器人系统， 包括肩部绑缚结构、 背部结构、 腰背连接杆、 两个 电机外壳、 腰部绑缚结构、 臀 部绑缚结构、 两个大 腿支撑杆、 两个腿部绑缚结构和控制硬件系统， 所述背部 结构与腰背 连接杆固定连接， 肩部绑缚 结构分别连接背部结构与腰背连接杆， 腰背 连接 杆的两端分别连接一个电机外壳； 每个电机外壳 分别内嵌电机； 臀部绑缚结构、 左、 右大腿支 撑杆 的两端分别与两个电机连接， 两个大腿支撑杆对 应连接两个大腿绑缚结构； 控制硬件系统包括电 池、 主控板、 驱动器、 左编码器和右编码器。 本发 明提出一种腰部外骨骼机器人系统， 传感器较 少、 成本较低、 功能多样化、 系统稳定可靠 。 权利要求书4页 说明书9页 附图6页 CN 114750133 A 2022.07.15 CN 114750133 A 1.一种腰 部外骨骼机器人系统， 其特 征在于： 包括肩部绑缚结构、 背部结构、 腰背连接杆、 两个电机外壳、 腰部绑缚结构、 臀部绑缚结 构、 两个大腿支撑杆、 两个腿部绑缚结构和控制硬件系统； 所述背部结构与腰背连接杆固定连接， 肩部绑缚结构分别连接背部结构与腰背连接 杆， 腰背连接杆的两端分别连接一个电机外壳； 每个电机外壳分别内嵌电机； 臀部绑缚结 构、 左、 右大腿支撑杆的两端分别与两个电机连接， 两个大腿支撑杆对应连接两个大腿绑缚 结构； 控制硬件系统包括： 电池、 主控板、 驱动器、 左编码器和右编码器； 电池、 主控板、 驱动 器 设置在背部结构内； 由电池给驱动器和主控板供电， 主控板和驱动器互相通信， 驱动 器通过PWM控制两个电 机； 两个电机上分别配置左、 右编码器， 反馈髋关节的位置和速度信息给主控板， 起身助力 控制器或行 走助力控制器生成所对应的力矩， 给穿戴者 提供合适的助力。 2.基于如权利要求1所述的腰部外骨骼机器人系统的助力控制方法， 其特征在于， 包括 以下步骤： S1： 开机并使能， 初始化 参数； S2： 实时获取编码器的数据， 将编码器的值转换成位置或速度， 并根据位置和速度 数据 计算左、 右腿相角； S3： 通过对位置、 速度和相角的相关信息做阈值区分来进行状态分类： S3.1： 以站立状态为最高优先级， 先判断是否是站立状态， 若是则继续循环判断站立状 态， 若否则转到S3.2； S3.2： 判断是否是弯腰起身状态， 若是进入S3.3； 若否则转到S3.4； S3.3： 进行起身助力控制， 起身助力结束后， 跳回S3.1 继续判断； S3.4： 判断是否是 行走状态， 若是 行走状态， 进入S3.5； 若否则跳回S3.6继续判断； S3.5： 进行 行走助力控制， 助力结束后， 跳回S3.1 继续判断； S3.6： 空状态， 停止助力。 3.根据权利要求2所述的一种腰 部外骨骼机器人系统的助力控制方法， 其特 征在于： 所述步骤S2中， 站立状态是通过位置、 速度的值进行区分； 弯腰起身状态是通过位置、 速度和相角的值进行区分； 行 走状态用位置、 速度和相角的值进行区分。 4.根据权利要求3所述的一种腰 部外骨骼机器人系统的助力控制方法， 其特 征在于： 所述步骤S2中， 通过以下将编码器的值E转换成位置或速度： 其中E为驱动板所采集编码器的值， z为电机转一圈所对应的编码器的值， 360 °为一圈 的角度， δ 为 位置或速度。 5.根据权利要求 4所述的一种腰 部外骨骼机器人系统的助力控制方法， 其特 征在于： 所述步骤S2中， 利用公式(2)、 公式(3)分别计算左、 右腿相角：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114750133 A 2其中： PL为当前左腿位置， PR为当前右腿位置， PLLast为左腿上一时刻位置， PRLast为右腿 上一时刻 位置， VL为当前左腿速度， VR为当前右腿速度， φL为当前左相角值， φR为当前右相 角值。 6.根据权利要求5所述的一种腰 部外骨骼机器人系统的助力控制方法， 其特 征在于： 所述S3.2中的弯腰起身状态包括弯腰和起身两个阶段。 7.根据权利要求6所述的一种腰 部外骨骼机器人系统的助力控制方法， 其特 征在于： 所述步骤S3.3中的起身助力控制过程包括以下步骤： S3.3.1： 进行起身控制的初始化； S3.3.2： 在穿戴者弯腰到最低点时， 记录最低点此刻的位置Plow， 在穿戴者从最低点起 身后10ms内， 由最 终位置与起始 位置通过公 式4进行自适应助力， 直到回到初始 位置停止助 力， τ1为所输出的力矩， k1为助力峰值， P1为弯腰当前左右腿的绝对 位置之和的平均值， P2为 站立初始化时左右腿的绝对位置之和的平均值。 8.根据权利要求7 所述的一种腰 部外骨骼机器人系统的助力控制方法， 其特 征在于： 所述步骤S3.4中的行走状态可分成摆动相和支撑相， 其中摆动相可分成： 摆动相初期、权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114750133 A 3