一种基于背部姿态信息的腰部助力设备控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于背部姿态信息的腰部助力设备控制方法，包括以下步骤：通过姿态传感器得到当前时刻背部姿态角度和左右大腿姿态角度；判断当前时刻背部姿态角度是否小于阈值α1并且当前时刻左右大腿姿态角度之差的绝对值是否小于阈值α2；判断当前时刻左右大腿姿态角度平均值是否小于阈值α3；在弯腰模式下，计算得到背部姿态角速度、左右大腿姿态角速度、背部相角；判断背部姿态角度是否达到N帧内极小值；判断左右大腿角速度之和是否小于阈值α4并且背部相角是否大于阈值α5，若是，则设置期望力矩大于零，开始助力；可实现在人体弯腰搬运作业时提供助力，以减轻肌肉疲劳，提高作业效率。高作业效率。高作业效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于背部姿态信息的腰部助力设备控制方法


[0001]本专利技术涉及穿戴助力设备
，具体而言，涉及一种基于背部姿态信息的腰部助力设备控制方法。

技术介绍

[0002]腰部助力设备是一种融合了仿生结构设计、多传感布局、姿态预测、柔顺性控制等机器人技术的可穿戴助力设备，可在人体弯腰提取重物起身过程中支撑膝关节、伸展髋关节及分散腰部压力，旨在减轻腰部及下肢肌肉疲劳，提升搬运作业效率。腰部助力设备一般分为无动力源及有动力源两类，其中无动力源腰部助力设备多通过特殊结构形式实现帮助人体搬起重物，由于没有额外的动力源输入，因此助力效果有限；有动力源腰部助力设备目前存在如下技术问题：
[0003]1、有源助力设备多采用基于生物电信号的助力控制方法，当系统检测到肌电/脑电信号在抬起范围时，触发助力设备的腰部助力模式，但肌电/脑电信号受人体疲劳及出汗影响较大，且电极长时间安装在人身体上极易影响设备可靠性及有效性，因此无法在实际工程中得到广泛应用。
[0004]2、人体搬运重物时，若在脑部或是身体贴上有线电极片，易与人体搬运动作形成干涉，影响作业效果。若贴上无线电极片，则生物电信号易受周围环境影响，使得控制效果大打折扣。
[0005]3、有源助力设备未对搬运过程中的细分意图状态作进一步区分，缺乏对多种情况的识别，导致助力时机不准，助力不佳，对人体搬运模式识别准确率低，且容易存在误判。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于克服上述技术存在的不足，提供一种基于背部姿态信息的腰部助力设备控制方法，该方法在腰部助力设备上的应用可实现在人体弯腰搬运作业时提供助力，以减轻肌肉疲劳，提高作业效率，解决传统基于生物电信号控制方法存在的可靠性低、易受人体生理条件影响、实用性低的局限性。
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种基于背部姿态信息的腰部助力设备控制方法，其特征在于，所述腰部助力设备控制方法包括以下步骤：
[0008]S1，通过姿态传感器进行数据采集，得到当前时刻背部姿态角度、左大腿姿态角度和右大腿姿态角度；
[0009]S2，基于左大腿姿态角度和右大腿姿态角度，得到当前时刻左右大腿姿态角度之差的绝对值；
[0010]S3，判断当前时刻背部姿态角度是否小于阈值α1并且当前时刻左右大腿姿态角度之差的绝对值是否小于阈值α2，若是，则进入搬运模式并执行步骤S4，否则，保持前一时刻运动模式；
[0011]S4，判断当前时刻左右大腿姿态角度平均值是否小于阈值α3，若是，则进入弯腰搬
运模式并执行步骤S5，否则，进入弯腿搬运模式并执行步骤S9；
[0012]S5，基于当前时刻背部姿态角度和前一时刻背部姿态角度，计算得到背部姿态角速度；基于当前时刻左大腿姿态角度和前一时刻左大腿姿态角度，计算得到左大腿姿态角速度；基于当前时刻右大腿姿态角度和前一时刻右大腿姿态角度，计算得到右大腿姿态角度角速度；
[0013]S6，基于当前时刻背部姿态角度和背部姿态角速度，计算得到背部相角；所述背部相角采用如下公式计算：，其中，φ
back
(t)为背部相角，θ
back
(t)为背部姿态角度，ω
back
(t)为背部姿态角速度；
[0014]S7，判断所述背部姿态角度是否达到N帧内极小值，即，其中，N为设置的帧数，其取值范围为15
‑
25帧；若是，则执行步骤S8，否则，设置期望力矩为零；
[0015]S8，判断左大腿角速度、右大腿角速度之和是否小于阈值α4，并且背部相角是否大于阈值α5，若是，则设置期望力矩大于零；否则无需助力，设置期望力矩为零；设置期望力矩大于零采用如下公式计算：，其中，T(t)为设定的左右电机转矩，A1为生成助力力矩曲线的幅值，B1为频率，C1为力矩曲线左右平移系数，D1为力矩曲线上下平移系数；
[0016]S9，计算当前时刻左右大腿姿态角度平均值与背部姿态角度差值，得到第一差值角度；对第一差值角度进行差分，得到第一差值角速度；
[0017]S10，基于当前时刻第一差值角度和第一差值角速度，计算得到第一差值相角；所述第一差值相角采用如下公式计算：，其中，φ(t)为第一差值相角，θ(t)为第一差值角度，ω(t)为第一差值角速度；
[0018]S11，判断所述背部姿态角度是否达到N帧内极小值，即，其中，N为设置的帧数，其取值范围为15
‑
25帧；若是，则执行步骤S12，否则，设置期望力矩为零；
[0019]S12，判断左大腿角速度、右大腿角速度之和是否小于阈值α6，并且第一差值相角是否大于阈值α7，若是，则设置期望力矩大于零；否则无需助力，设置期望力矩为零；设置期望力矩大于零采用如下公式计算：，其中，T(t)为设定的左右电机转矩，E1为生成助力力矩曲线的幅值，F1为频率，G1为力矩曲线左右平移系数，H1为力矩曲线上下平移系数。
[0020]在一些实施例中，所述姿态传感器包括背部姿态传感器和腿部姿态传感器，所述背部姿态传感器设于所述腰部助力设备后背中部，所述腿部姿态传感器包括左大腿姿态传感器、右大腿姿态传感器，所述左大腿姿态传感器、右大腿姿态传感器分别设于所述腰部助力设备左、右大腿中部。
[0021]在一些实施例中，所述腰部助力设备采用电机助力，所述电机包括左电机、右电机，所述左电机、右电机分别设于所述腰部助力设备左、右髋部。
[0022]在一些实施例中，所述阈值α1取值范围为140度~170度，所述阈值α2取值范围为5度~15度，所述阈值α3取值范围为20度~35度。
[0023]在一些实施例中，所述阈值α4取值范围为
‑
5度/s~5度/s，所述阈值α5取值范围为
‑
π/16~π/16。
[0024]在一些实施例中，所述阈值α6取值范围为
‑
5度/s~5度/s，所述阈值α7取值范围为π/6~π/3。
[0025]在一些实施例中，所述力矩曲线左右平移系数C1取值范围为
‑
π/10<C1<π/10，力矩曲线上下平移系数D1取值范围为D1>1。
[0026]在一些实施例中，所述力矩曲线左右平移系数G1取值范围为
‑
π/6<G1<π/6，力矩曲线上下平移系数H1取值范围为H1>1。
[0027]第二方面，本专利技术还提供了一种电子设备，所述电子设备包括：存储器，用于存储指令；以及处理器，用于调用所述存储器存储的指令执行如第一方面所述的腰部助力设备控制方法。
[0028]第三方面，本专利技术还提供了一种计算机可读存储介质，其中存储有指令，所述指令被处理器执行时，执行如第一方面所述的腰部助力设备控制方法。
[0029]本专利技术提供的技术方案具有以下有益效果：
[0030]1、本专利技术使用到的姿态传感器较少，可解决传统基于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于背部姿态信息的腰部助力设备控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，通过姿态传感器进行数据采集，得到当前时刻背部姿态角度、左大腿姿态角度和右大腿姿态角度；S2，基于左大腿姿态角度和右大腿姿态角度，得到当前时刻左右大腿姿态角度之差的绝对值；S3，判断当前时刻背部姿态角度是否小于阈值α1并且当前时刻左右大腿姿态角度之差的绝对值是否小于阈值α2，若是，则进入搬运模式并执行步骤S4，否则，保持前一时刻运动模式；S4，判断当前时刻左右大腿姿态角度平均值是否小于阈值α3，若是，则进入弯腰搬运模式并执行步骤S5，否则，进入弯腿搬运模式并执行步骤S9；S5，基于当前时刻背部姿态角度和前一时刻背部姿态角度，计算得到背部姿态角速度；基于当前时刻左大腿姿态角度和前一时刻左大腿姿态角度，计算得到左大腿姿态角速度；基于当前时刻右大腿姿态角度和前一时刻右大腿姿态角度，计算得到右大腿姿态角度角速度；S6，基于当前时刻背部姿态角度和背部姿态角速度，计算得到背部相角；所述背部相角采用如下公式计算：，其中，φ
back
(t)为背部相角，θ
back
(t)为背部姿态角度，ω
back
(t)为背部姿态角速度；S7，判断所述背部姿态角度是否达到N帧内极小值，即，其中，N为设置的帧数，其取值范围为15
‑
25帧；若是，则执行步骤S8，否则，设置期望力矩为零；S8，判断左大腿角速度、右大腿角速度之和是否小于阈值α4，并且背部相角是否大于阈值α5，若是，则设置期望力矩大于零；否则无需助力，设置期望力矩为零；设置期望力矩大于零采用如下公式计算：，其中，T(t)为设定的左右电机转矩，A1为生成助力力矩曲线的幅值，B1为频率，C1为力矩曲线左右平移系数，D1为力矩曲线上下平移系数；S9，计算当前时刻左右大腿姿态角度平均值与背部姿态角度差值，得到第一差值角度；对第一差值角度进行差分，得到第一差值角速度；S10，基于当前时刻第一差值角度和第一差值角速度，计算得到第一差值相角；所述第一差值相角采用如下公式计算：，其中，φ(t)为第一差值相角，θ(t)为第一差值角度，ω(t)为第一差值角速度；S11，判断所述背部姿态角度是否达到N帧内极小值，即，其中，N为设置的帧数，其取值范围为15
‑
25帧；若是，则执行步骤S12，否...

【专利技术属性】
技术研发人员：李林，李阳阳，宋定安，胡静，肖陶康，杨义光，张勇，强利刚，郭超，齐维伟，王克楠，
申请(专利权)人：贵州航天控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：