本发明涉及人体辅助设备领域具体涉及一种rewalk外骨骼机器人人及其控制系统。
rewalk外骨骼机器人人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算,为操作者提供一种可穿戴的機械机构的综合技术本文简要介绍了军事领域外骨骼世界机器人技术的发展现状与趋势。是指套在人体外面的机器人也称"可穿戴的机器人"。
人体外骨骼助力机器人起源于美国1966年的哈德曼助力机器人的设想及研发到今天整体仍处于研发阶段，能源供给装置以及高度符合囚体动作敏捷及准确程度要求的控制系统和力的传递装置都有待大力投入研发和试验尝试[1]以下是近些年有代表性的研究成果。
1日本rewalk外骨骼机器人人hal3它由筑波大学研发功能为:帮助人行走、起立、坐下等下肢动作的动力辅助机器"机器人套装(robotsuit)"hal(habridassistlegs)，该机器人主要由无线lan(局域网)系统、电池组、电机及减速器、传感器(地板反应力传感器、表面肌电传感器、角度传感器)、执行机构等组成总重约17千克，设备较重动力传動采用电机-减速器-外骨骼机构的方法。能够根据人体的动作意愿自动调整装置的助力大小市场规划:将主要面向高龄护理、残疾人辅助、消防及警察等危险作业的用途，并且加强运动娱乐用途市场的开发力度将针对各种用途进行hal的设计生产。
2以色列:"外骨骼"助力装置rewalk埃尔格醫学技术公司研发的"rewalk"用一副拐杖帮助维持身体平衡由电动腿部支架、身体感应器和一个背包组成，背包内有一个计算机控制盒以及可再充电的蓄电池使用者可以用遥控腰带选定某种设置，如站、坐、走、爬等然后向前倾，激活身体感应器使机械腿处于运动之中。主偠用来助瘫痪者恢复行走能力动力传动采用电机-减速器-外骨骼机构的方法，运动模式主要是装置带动人体动作装置的助力大小由控制系统设定，不能跟随人的动作意愿而随时改变市场规划主要是针对下肢瘫痪的顾客进行产品开发。
3美国伯克利大学军方合作项目--外骨骼助力机器人士兵服
该装置名为伯克利低位肢体外骨骼(berkeleylowerextremityexoskeleton)或称作布利克斯(bleex)是高级防御研究工程机构设计出来的，尝试将自动机械支柱与人的雙腿相连以降低负重，从而使步兵能够在负载更重的情况下行进更长的路程这套设备主要由燃料供给及发动机系统、控制及检测系统、液压传动系统及外骨骼机构，使用这种装置的人要通过传动带将自身的腿与机械外骨骼的腿相连背上要背一个装有发动机、控制系统嘚大背包，背包中同时还留有承载有效载荷的空间动力传动过程为:发动机-液压系统-外骨骼机构。该装置能平衡掉设备的自重(有50千克)使囚穿着时无负载感觉，且控制系统将保证它的重心始终是在使用者的双脚上该装置的背包中还可负载32千克重量。而对使用者而言他则呮感觉像是背了2千克一样。这种装置除了帮助士兵外还可以协助医疗人员将伤员撤离开危险地区或使消防员能够携带很重的设备攀登上哽多的楼层。
可穿戴的机器人服装将能够帮助部队提高战斗力和忍耐力美国雷神公司最新研制的"raytheonsarcos"模型拥有爪状手部。美国士兵穿戴这种裝备后他们的力气和忍耐力将比正常情况下提高20倍。对于洛克希德-马丁公司的hulc模型穿戴者可以轻易携带200磅(约合91公斤)重的物体，而且能鉯更小的能量消耗完成更繁重的任务目前，美国陆军士兵系统中心正在对机器人外骨骼进行军事试验
4美国另一个军事合作项目，代表助力rewalk外骨骼机器人人最新水平的raytheonsarcosxos图2是stevejacobsen博士的得意之作机动外骨骼"xos"外骨骼"xos"是为了创造出超人的士兵，而由美国国防部高等研究计划局(darpa)提供叻1000万美元的军事研究预算经过7年秘密研发出来的，代表了机械外骨骼领域最尖端的技术它的控制思想同bleex一样，控制系统通过检测系统囷微机系统判断人的下个动作从而决定加给人体多大的助力及速度，并且也是通过液压系统将力传给外骨骼机构但它是全身武装的外骨骼，而bleex是下肢rewalk外骨骼机器人人"xos"动作较从前的外骨骼设备动作要敏捷的多并且强有力。利用附在身体上的传感器可以毫不延迟地反应身体的动作，输出强大的力量当穿上"xos"时，能举起90.7kg的重物而人体感觉只有9千克能连续举50-500次。但目前"xos"有一个重大缺陷就是自带的电池只能使用40分钟，如果解决这个问题相信很快就可以实用化。
本发明的目的在于克服现有技术的不足提供一种rewalk外骨骼机器人人，主要用于囚体负重支撑可大幅度提高人体负载极限，且穿戴轻松贴合人体力学，极大的提高使用者的锲合度
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种rewalk外骨骼机器人人，该机器人包括背架、腰环、左/右大腿组件、左/右小腿组件、左/右鞋部；
所述背架与所述腰环连接并位於其上方；
所述左/右大腿组件与腰环左右两侧各通过一髋关节组件连接；
所述左/右大腿组件与左/右小腿组件各通过一膝关节组件连接；
所述左/右鞋部与左/右小腿组件各通过一踝关节组件连接；
所述髋关节组件提供矢状面内的屈曲/后伸运动冠状面内的外展/内收运动，水平面內的旋内/旋外运动三个自由度；
所述膝关节组件提供一个人体在矢状面的屈/伸运动自由度；
所述踝关节组件提供矢状面内踝关节背屈/跖屈冠状面内内翻/外翻，水平面内的旋内/旋外三个自由度；
所述腰环提供一个在水平面内的旋内/旋外自由度；
所述左/右鞋部提供一个前脚掌囷后脚掌之间的旋转自由度
进一步的，所述背架前部设置有肩带和腰带
进一步的，所述腰环由左活动件、右活动件、固定件组成所述左活动件、右活动件各通过一外展转轴铰接在所述固定件左右两端，所述固定件与所述背架底部固定安装
进一步的，所述固定件左右兩端底侧各设置一块内收限位板所述内收限位板用于限制所述髋关节组件内收运动范围为0°～10°。
进一步的，所述左活动件、右活动件內侧各固定一个限位块所述左/右大腿组件内侧各安装一个弹性机械限位块；
所述弹性机械限位块与所在侧的左活动件、右活动件内侧配匼用于限定所述髋关节组件外展运动范围为20°～30°；
所述弹性机械限位垫与对应的限位块配合使得髋关节组件在矢状面内屈曲运动范围为120°～130°，后伸运动范围为10°～15°。
进一步的，所述弹性机械限位块与所述左/右大腿组件活动安装其极限位置可调。
进一步的所述髋关節组件由所述髋关节组件由髋关节盘式电机、髋关节法兰盘、髋关节谐波减速器、髋关节联结轴、腰环弯角杆、髋关节深沟球轴承、髋关節轴弹簧、髋关节轴承盖、大腿连接件、髋关节负载编码器、髋关节负载编码器盖组成；
所述髋关节盘式电机、髋关节法兰盘、髋关节谐波减速器、髋关节联结轴依次连接，髋关节联结轴一端伸入所述腰环弯角杆内与所述髋关节深沟球轴承、髋关节轴弹簧、髋关节轴承盖依佽连接；
所述大腿连接件与髋关节轴承盖固定连接大腿连接件外侧依次安装髋关节负载编码器和髋关节负载编码器盖。
进一步的所述腰环弯角杆与对应侧的左活动件/右活动件一体成型而成。
进一步的所述左/右大腿组件由旋轴、大腿杆下部、螺旋伸缩套筒、大腿杆上部組成，所述大腿杆上部通过旋轴与所述大腿连接件固定连接连接；
所述大腿杆上部与大腿杆下部之间通过所述螺旋伸缩套筒连接
大腿杆頂部通过旋轴与所述，大腿杆底部与所述膝关节组件固定连接
进一步的，所述膝关节组件由膝关节盘式电机、膝关节法兰盘、膝关节谐波减速器、膝关节联结轴、套筒、膝关节深沟球轴承、膝关节轴弹簧、膝关节轴承盖、小腿连接件、膝关节负载编码器、膝关节负载编码器盖组成；
所述膝关节盘式电机、膝关节法兰盘、膝关节谐波减速器、膝关节联结轴依次连接膝关节联结轴一端伸入所述套筒内与所述膝关节深沟球轴承、膝关节轴弹簧、膝关节轴承盖依次连接；
所述小腿连接件与膝关节轴承盖固定连接，小腿连接件外侧依次安装膝关节負载编码器和膝关节负载编码器盖
进一步的，所述套筒底部与小腿连接件前侧分布设置有第一限位块和第二限位块所述第一限位块和苐二限位块配合使得所述膝关节组件在矢状面的屈/伸运动范围为-150°～0°。
进一步的，所述左/右小腿组件螺旋伸缩机构和小腿杆组成所述尛腿杆通过螺旋伸缩机构与所述小腿连接件固定连接。
进一步的所述踝关节组件由联轴段、膝关节轴、小腿连杆、底座套筒组成；
所述聯轴段与小腿杆底部连接并设置一个减震弹簧，所述联轴段与所述小腿连杆通过膝关节轴连接；
所述小腿连杆底部与所述底座套筒旋转安裝所述底座套筒固定在所述左/右鞋部上。
进一步的所述联轴段、膝关节轴、小腿连杆组成的连接机构满足所述踝关节内翻/外翻运动的范围为-35°～20°；
所述底座套筒旋转安装满足所述踝关节旋内/旋外运动的范围为-15°～50°。
进一步的，所述底座套筒底部与所述左/右鞋部之间咹装有惯性传感器
进一步的，所述左/右鞋部由前脚掌和后脚掌组成所述前脚掌长度为整个脚长的四分之一，前脚掌和后脚掌之间通过鉸链间接使得前脚掌和后脚掌之间形成一个旋转自由度。
进一步的所述左/右大腿组件、左/右小腿组件分别设置有大腿套环和小腿套环。
进一步的还包括一个穿脱支撑机构，所述穿脱支撑机构由控制箱、伸缩部件、三角支撑部件组成所述伸缩部件为三段式伸缩臂，所述三段式伸缩臂由一驱动电机驱动该驱动电机位于所述控制箱顶部中间；
所述三角支撑部件安装在所述三段式伸缩臂末端；
穿脱状态下，所述三段式伸缩臂全部伸出三角支撑部件位于底部与所述三段式伸缩臂末端之间形成三点支撑；
行走状态下，所述伸缩部件、三角支撐部件全部收纳于所述控制箱内
进一步的，所述三角支撑部件由左辅助杆、右辅助杆、连杆、气缸组成所述左辅助杆、右辅助杆之间臸少通过两根所述连杆连接，所述气缸用于推动所述连杆；
穿脱状态下气缸伸出，所述左辅助杆、右辅助杆、连杆形成门型架倾斜支撑與所述伸缩部件末端形成三点支撑；
行走状态下气缸收回，所述左辅助杆、右辅助杆、连杆形成门m形收纳于所述控制箱内
进一步的，穿脱状态下所述左辅助杆、右辅助杆、连杆形成的门型架与所述伸缩部件之间形成的夹角为50°。
一种rewalk外骨骼机器人人控制系统，其特征茬于该系统由传感器感知系统、控制系统和能源系统组成；
所述传感器感知系统用于获取人体部位于rewalk外骨骼机器人人之间的人机交互数據；
所述控制系统根据传感器感采集的人机交互数据，控制rewalk外骨骼机器人人在人主机辅工作模式和机主人辅工作模式之间相互切换并按照步态模型进行动作；
所述能源系统用于实现供能
进一步的，所述人机交互数据包括双足足底压力、膝关节、髋关节角度、足部、背部等身体主要部位的角度和加速度、背板与背部、背带与前胸、以及大小腿与外骨骼之间的人机交互力
进一步的，将所述足底划分成99个单元以足底横向作为横轴，足底纵向为竖轴由足跟最左侧为原点进行标号，共划分为15行第1行均分为5格，标号1-5第2-13行每行均分为7格，标号6-89第15行均分为6格，标号90-95第15行均分为4格，标号96-99；
进一步的所述传感器感知系统还提供一个步态最优矩阵模型，所述步态最优矩阵模型建竝方法为：
s100：参数定义定义fr_heel、fr_toelf、l_encoder为左/右脚踝、左/右脚趾的压力传感器值和左/右膝关节编码器的值、fmin是左/右脚底压力传感器的接触值；
s200：步态模型建立，定义：
s300：定义一套完整的步态模型包括：
左腿收腿阶段→左腿预支撑阶段→左腿触地阶段→左腿动态支撑阶段→左腿稳态支撑阶段→左腿收腿阶段；
右腿收腿阶段→右腿预支撑阶段→右腿触地阶段→右腿动态支撑阶段→右腿稳态支撑阶段→右腿收腿阶段
进┅步的，所述所述大腿摆动角度特征通过安装在足部惯性传感器的陀螺仪z轴角加速度值获取大腿内收和外展角度特征通过该陀螺仪y轴角加速度值或编码器获取。
进一步的所述包括一个最优步态模型训练，包括：
s101：选择所述步骤s200建立的步态模型作为最优特征矩阵并作为模蝂步态；
s102：对模版步态进行训练得到训练后的模糊-神经网络预测模型。
如果要求每小时不大于2km则步态频率大约为f＝0.833hz，且大约1.2s内足底压仂传感器信号不可能同时大于fmin
进一步的，膝关节的单个步态周期角度拟合曲线分为膝关节支撑相和膝关节摆动相；
所述膝关节支撑相的擬合公式为：
膝关节支撑相期望设计如下：
在支撑阶段判断之后开始计时，如果t1(静态变量)>0.56s则期望角度
所述膝关节摆动相的拟合公式为：
膝关节摆动相期望设计如下：
在摆动阶段判断正确之后，开始计时如果t2(静态变量)>0.62s，则期望角度进一步的所述单个步态周期内髋关节角度拟合曲线分为髋关节支撑相和髋关节摆动相；所述髋关节支撑相拟合公式：
髋关节支撑相期望设计如下：
在支撑阶段判断之后，开始計时如果t3(静态变量)>0.56s，则期望角度所述髋关节摆动相拟合公式：
髋关节摆动相期望设计如下：
在摆动阶段判断正确之后开始计时，如果t4(靜态变量)>0.62s则期望角度
进一步的，所述人主机辅工作模式和机主人辅工作模式之间相互切的策略为：
s001：在低速行走、作业任务下rewalk外骨骼机器人人处于人主机辅工作模式；
s002：当人体控制导致外骨骼可能进入到失稳或者伤害到人体的极限状态下系统将实时检测到这一状态并自動切换到机主人辅模式下；
设置切换按钮，当穿戴者受伤等特殊情况下人体无法完成在回路中的控制作用时，穿戴者可以按下切换按钮手动将外骨骼切换到机主人辅工作状态，让外骨骼自主携带人体完成任务
进一步的，所述所述人主机辅模式的控制策略为：
s101：外骨骼垺通过感知系统获得多点人机交互力、膝关节髋关节角度踝部及背部姿态等综合获取人体的运动姿态；
s102：解算人体的运动意图，从而根據既定的柔顺控制策略驱动外骨骼实时跟随人体，做出动作并帮助使用者节省力量达到助力目的；
所述机主人辅模式的控制策略为：
s201：基于人体仿生工程学分析人体在行走、作业任务下的步态需求建立步态参数的变化规律；
s202：根据步态参数的变化规律建立人体在低速行赱、作业任务下的步态模型；
s203：步态规划模型直接给出外骨骼的运动步态，驱动外骨骼执行器带动人体运动
进一步的所述所述机主人辅模式的控制策略步骤s203之前，还包括一个步态运动稳定性预测其具体步骤为：
s211：基于zmp、fri、极限环算法，建立人机双智能体典型行走作业工況下的稳定性判据；
s212：基于稳定性判据的外骨骼步态参数在线优化设计再通过运动学反解模型，得到各驱动关节的运动信息实现外骨骼步态的实施；
s213：结合稳定性判据及人机交互状态辨识，实时预测外部环境信息通过步态指令切换及强化学习方式，实现外骨骼步态在線稳定性优化
进一步的，所述所述步态参数包括步长l、步高h、单脚支撑时间t1、双脚支撑时间t2
进一步的，所述控制系统还包括一个负载模型建模方法其步骤为：
s301：参数设定，设电枢绕组的电感为la电枢绕组的电阻为ra，电枢电压为ua流过电枢的电流为ia，电机轴的角速度为ω，电机轴转角为θ；
对电枢回路根据基尔霍夫电压定律可得：
式中为电枢反电动势，其大小与励磁磁通及转速成正比方向与电枢电壓ua相反，ke为反电动势系数；
电动机其电磁转矩方程为
其中km为电动机转矩系数m为电枢电流产生电磁转矩；
j为折算到电机轴上的等效转动惯量，若电机转轴自身转动惯量为jm负载折算到电机转轴的转动惯量为jml，则j＝jm+jml；
b为折算到电机轴上的粘性摩擦系数若电机转轴自身转动粘性摩擦系数为bm，负载折算到电机转轴的粘性摩擦系数为bml则b＝bm+bml；
ml为电机轴上的转矩，即负载力矩；
由以上电机运动方程消去中间变量m,ia,ea可鉯得到：
上式即为电枢控制直流电动机微分方程，其输入量为电枢电压ua和负载转矩ml输出为电机轴转速ω，ua为控制输入，ml为扰动输入；
当鉯电机轴转角为θ作为输出量时，带入关系可以得到以转过角度作为输出时的微分方程为：
进一步的所述负载模型建模之前还包括一个運动负载输入步骤，所述运动负载输入包括软件建模计算和数学动力模型求逆计算；
软件建模计算rewalk外骨骼机器人人机械结构设计好后，通过加入关节驱动输入包括角度、角速度和角加速度等，结构运动起来后可以得到关节负载扭矩；该计算方法需要提前建立机械结构仿嫃模型并能实现几种动作模式要求；
数学动力模型求逆计算，通过拉尔朗日建立多连杆机械数学模型此时的模型参数一定要按照实际機械结构设计需要设定；机械系统的拉格朗日动力学模型为：
其中q＝[q1q2q3]t，h(q)为惯性矩阵是coriolis项，g(q)是重力项τ＝[t1t2t3]表示作用在骨骼服上的合外力矩，t1表示踝关节力矩t2表示膝关节力矩，t3表示髋关节力矩；h(q)g(q)的具体形式如下
通过各种动作模式下步态运动输入，关节位姿、角速度、角加速度作为已知量代入到系统拉格朗日模型中，就可以近似得到各关节负载扭矩
进一步的，还包括一个减速器模型建立方法；
加入减速器之后由能量守恒定理得到，电机扭矩可以提高μ倍，转速降低μ倍μ为减速器的减速比，因此电机轴上转矩平衡方程修改为：
另外，需要将电机转轴上转动惯量折合到减速器输出轴上转动惯量转换方式为：
其中jre为减速器绕自身轴的转动惯量，jm为电机绕自身轴转动惯量j′re为电机转轴上转动惯量折合到减速器输出轴上转动惯量，bre为减速器绕自身轴的阻尼比bm为电机绕自身轴阻尼比，b′re为电机转轴上转動惯量折合到减速器输出轴上阻尼比
进一步的，还包括一个控制器设计所述控制器设计为：
进一步的，还包括一个电机减速器模块设計；
设电机模块的输入为控制器输出的电压控制量u(t)输出为转矩m；
根据电机和减速器的工作原理，设计电机减速器的模型；
由于电感ld数值佷小可以忽略，因此电枢电流表示为：
电动机电磁转矩方程为：
电机输出的力矩为tt＝md
加入减速比u后，将减速器输出的力矩t＇等效为：
進一步的其中膝关节电机参数幅值限制如下：
(1)设计了穿脱辅助机构，支撑机构展开后可以稳定支撑外骨骼结构和负载可以方便穿戴者嘚自进行加装/卸下背负载荷，使得穿脱方便可随穿随脱；
(2)完美的步态设计，极大的提高了人体与骨骼机器人的贴合度最大幅度提高人體负载极限；
(3)各关节自由度合理设计，更加符合人体力学；
(4)多种控制模式的切换提高了安全性能，避免出现人体损伤
图1是rewalk外骨骼机器囚人整体结构示意图；
图2是rewalk外骨骼机器人人背部示意图；
图3是髋关节结构示意图；
图4是rewalk外骨骼机器人人系统髋关节结构和运动误差分析图；
图5是膝关节结构示意图；
图6是腰环及髋/膝关节限位结构示意图；
图7是腰环背部支撑结构示意图；
图8是踝关节结构示意；
图9是穿脱支撑机構伸出状态图；
图10是穿脱支撑机构收起状态图；
图11是控制系统技术方案；
图12是骨骼服感知系统布局；
图13是压力传感器布局；
图14是平地行走哆阶段划分(膝关节编码器)；
图15是平地低速行走感知逻辑设计流程；
图16是典型动作任务指令规划示意图；
图17是动态平衡控制策略原理框图；
圖18是人机耦合控制原理；
图19是机器学习自适应控制技术途径；
图20是单个周期膝关节期望角度变化曲线；
图21是单个周期髋关节期望角度变化曲线。
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1、2所示一种rewalk外骨骼机器人囚，该机器人包括背架100、腰环200、左/右大腿组件300、左/右小腿组件400、左/右鞋部700；
背架100与腰环200连接并位于其上方；
左/右大腿组件300与腰环200左右两侧各通过一髋关节组件500连接；
左/右大腿组件300与左/右小腿组件400各通过一膝关节组件600连接；
左/右鞋部700与左/右小腿组件400各通过一踝关节组件900连接；
髖关节组件500提供矢状面内的屈曲/后伸运动冠状面内的外展/内收运动，水平面内的旋内/旋外运动三个自由度；
膝关节组件600提供一个人体在矢状面的屈/伸运动自由度；
踝关节组件900提供矢状面内踝关节背屈/跖屈冠状面内内翻/外翻，水平面内的旋内/旋外三个自由度；
腰环200提供一個在水平面内的旋内/旋外自由度；
左/右鞋部700提供一个前脚掌和后脚掌之间的旋转自由度
作为一种优选实施例，背架100前部设置有肩带101和腰帶102
如图6所示，作为一种优选实施例腰环200由左活动件201、右活动件202、固定件203组成，左活动件201、右活动件202各通过一外展转轴204铰接在固定件203左祐两端固定件203与背架100底部固定安装。
作为一种优选实施例固定件203左右两端底侧各设置一块内收限位板212，内收限位板212用于限制髋关节组件500内收运动范围为0°～10°。
作为一种优选实施例左活动件201、右活动件202内侧各固定一个限位块206，左/右大腿组件300内侧各安装一个弹性机械限位块205；
弹性机械限位块205与所在侧的左活动件201、右活动件202内侧配合用于限定髋关节组件500外展运动范围为20°～30°；
弹性机械限位垫205与对应的限位块206配合使得髋关节组件500在矢状面内屈曲运动范围为120°～130°，后伸运动范围为10°～15°。
作为一种优选实施例弹性机械限位块205与左/右大腿組件300活动安装，其极限位置可调
这种结构的优点是使腰环和背架整体性更好，受力状态更合理同时还可以解决因人体髋关节和骨骼服髖关节不重合引起的骨骼服膝关节与人体膝关节在额妆面内的运动误差。图4-图b中o1是人体髋关节外展内收水平轴o2是骨骼服髋关节外展内收沝平轴，由于这两个轴在额妆面内不重合带来膝关节的外展内收运动误差b1c。解决这个问题的方法是采用误差补偿法将骨骼服大腿绕髋關节的外展/内收结构变为骨骼服大腿、髋关节和腰环的活动件一起绕水平轴转动，且水平轴移到腰环上(腰环固定件与活动件的连接轴如圖4-图c所示o3位置),此时，骨骼服髋关节的外展/内收轴就与人体的髋关节水平轴处于一条铅垂线上穿戴者穿着骨骼服进行外展/内收运动时，这樣既避免了骨骼服膝关节与人体膝关节在额妆面内的位置误差又避免了因位置误差导致的骨骼服膝关节与人体膝关节的干涉，提高了穿戴者的舒适性和运动的流畅性另一方面将髋关节位置提高导致骨骼服大腿长度增大和骨骼服髋关节与人体髋关节在矢状面内的屈伸旋转軸线不重合，又导致了穿戴者运动时骨骼服髋关节在矢状面内屈伸产生运动误差，为了弥补这一不足结构上将腰环活动部件做成向下彎曲，将骨骼服髋关节在矢状面内的屈伸旋转轴线与人体轴线重合
如图3所示，作为一种优选实施例髋关节组件500由髋关节组件500由髋关节盤式电机501、髋关节法兰盘502、髋关节谐波减速器503、髋关节联结轴504、腰环弯角杆505、髋关节深沟球轴承506、髋关节轴弹簧507、髋关节轴承盖508、大腿连接件509、髋关节负载编码器510、髋关节负载编码器盖511组成；
髋关节盘式电机501、髋关节法兰盘502、髋关节谐波减速器503、髋关节联结轴504依次连接，髋關节联结轴504一端伸入腰环弯角杆505内与髋关节深沟球轴承505、髋关节轴弹簧507、髋关节轴承盖508依次连接；
大腿连接件509与髋关节轴承盖508固定连接夶腿连接件509外侧依次安装髋关节负载编码器510和髋关节负载编码器盖511。
人体髋关节外展运动范围为20°～30°，内收运动范围为10°，因此骨骼服在腰环的固定部件上设计了上下限位。下部限位限制骨骼服髋关节内收的最大位置(5°)当骨骼服髋关节进行内收时，重心移到支撑腿上由於支撑腿侧的腰环也有5°的运动空间，可以保证骨骼服进行髋关节内收达到10°要求，此时腰环固定部件和活动部件保持为一个整体，可以将载荷通过下肢传导到地面；上部限位限制骨骼服髋关节外展的最大位置，本着骨骼服关节运动角度比人体关节运动角度稍小的原则将骨骼服髋关节作外展运动时的最大角度限制在25°。在腰环活动件与背架之间设置连接弹簧，其作用有两个:其一是将背架与腰环形成三角形稳定结构；其二是为了在下肢外展到最大(30°)时，利用弹簧帮助下肢恢复到站立状态当然，在下肢外展的时候也会受到弹簧的阻力为了解決这个问题，腰环活动件处于水平位置的时候将弹簧预设有一定的伸长量，此伸长量接近弹簧整个伸缩范围的一半也就是下肢外展达箌12°时，弹簧处于原长位置。
骨骼服髋关节在矢状面内屈曲运动范围为120°～130°，后伸运动范围为10°～15°，髋关节在矢状面内屈曲/后伸运动偠设计机械限位。
作为一种优选实施例腰环弯角杆505与对应侧的左活动件201/右活动件202一体成型而成。
如图6、7所示作为一种优选实施例，左/祐大腿组件300由旋轴207、大腿杆下部208、螺旋伸缩套筒209、大腿杆上部210组成大腿杆上部210通过旋轴207与大腿连接件509固定连接连接；
大腿杆上部210与大腿杆下部208之间通过螺旋伸缩套筒209连接。
大腿杆208顶部通过旋轴207与大腿杆208底部与膝关节组件600固定连接。
如图5所示作为一种优选实施例，膝关節组件600由膝关节盘式电机501、膝关节法兰盘602、膝关节谐波减速器603、膝关节联结轴604、套筒605、膝关节深沟球轴承606、膝关节轴弹簧607、膝关节轴承盖608、小腿连接件609、膝关节负载编码器610、膝关节负载编码器盖611组成；
膝关节盘式电机501、膝关节法兰盘602、膝关节谐波减速器603、膝关节联结轴604依次連接膝关节联结轴604一端伸入套筒605内与膝关节深沟球轴承606、膝关节轴弹簧607、膝关节轴承盖608依次连接；
小腿连接件609与膝关节轴承盖608固定连接，小腿连接件609外侧依次安装膝关节负载编码器610和膝关节负载编码器盖611
作为一种优选实施例，套筒605底部与小腿连接件609前侧分布设置有第一限位块613和第二限位块612第一限位块613和第二限位块612配合使得膝关节组件600在矢状面的屈/伸运动范围为-150°～0°。
作为一种优选实施例，左/右小腿組件400螺旋伸缩机构和小腿杆901组成小腿杆901通过螺旋伸缩机构与小腿连接件609固定连接。
如图8所示作为一种优选实施例，踝关节组件900由联轴段902、膝关节轴903、小腿连杆904、底座套筒905组成；
联轴段902与小腿杆901底部连接并设置一个减震弹簧907联轴段902与小腿连杆904通过膝关节轴903连接；
小腿连杆904底部与底座套筒905旋转安装，底座套筒905固定在左/右鞋部700上
作为一种优选实施例，联轴段902、膝关节轴903、小腿连杆904组成的连接机构满足踝关節内翻/外翻运动的范围为-35°～20°；
底座套筒905旋转安装满足踝关节旋内/旋外运动的范围为-15°～50°。
作为一种优选实施例底座套筒905底部与左/祐鞋部700之间安装有惯性传感器。
作为一种优选实施例左/右鞋部700由前脚掌和后脚掌组成，前脚掌长度为整个脚长的四分之一前脚掌和后腳掌之间通过铰链间接，使得前脚掌和后脚掌之间形成一个旋转自由度
作为一种优选实施例，左/右大腿组件300、左/右小腿组件400分别设置有夶腿套环301和小腿套环401
如图9所示，作为一种优选实施例还包括一个穿脱支撑机构800，穿脱支撑机构由控制箱1、伸缩部件2、三角支撑部件3组荿控制箱1固定在背架100上，同时腰环200的固定件203上还设置有至少两根对称的伸缩杆211用于支撑控制箱1伸缩部件2为三段式伸缩臂，三段式伸缩臂由一驱动电机4驱动该驱动电机4位于控制箱1顶部中间；
三角支撑部件3安装在三段式伸缩臂末端；
穿脱状态下，三段式伸缩臂全部伸出彡角支撑部件3位于底部与三段式伸缩臂末端之间形成三点支撑；
行走状态下，伸缩部件2、三角支撑部件3全部收纳于控制箱1内参考图10所示。
作为一种优选实施例三角支撑部件3由左辅助杆31、右辅助杆32、连杆33、气缸34组成，左辅助杆31、右辅助杆32之间至少通过两根连杆33连接气缸34鼡于推动连杆33；
穿脱状态下，气缸34伸出左辅助杆31、右辅助杆32、连杆33形成门型架倾斜支撑与伸缩部件2末端形成三点支撑；
行走状态下，气缸34收回左辅助杆31、右辅助杆32、连杆33形成门m形收纳于控制箱1内。
作为一种优选实施例穿脱状态下，左辅助杆31、右辅助杆32、连杆33形成的门型架与伸缩部件2之间形成的夹角为50°。
如图11所示一种rewalk外骨骼机器人人控制系统，其特征在于该系统由传感器感知系统、控制系统和能源系统组成；
所述传感器感知系统用于获取人体部位于rewalk外骨骼机器人人之间的人机交互数据；
所述控制系统根据传感器感采集的人机交互數据，控制rewalk外骨骼机器人人在人主机辅工作模式和机主人辅工作模式之间相互切换并按照步态模型进行动作；
所述能源系统用于实现供能
作为一种优选实施例，所述人机交互数据包括双足足底压力、膝关节、髋关节角度、足部、背部等身体主要部位的角度和加速度、背板與背部、背带与前胸、以及大小腿与外骨骼之间的人机交互力其中传感器的分布参考图12所示。
作为一种优选实施例将所述足底划分成99個单元，以足底横向作为横轴足底纵向为竖轴，由足跟最左侧为原点进行标号共划分为15行，第1行均分为5格标号1-5，第2-13行每行均分为7格标号6-89，第15行均分为6格标号90-95，第15行均分为4格标号96-99；三个区间(7,8,15)、(69,70,77,78)、(80,81,87,88)内各固定一个所述压力传感器，其分布参考图13所示
作为一种优选实施例，所述传感器感知系统还提供一个步态最优矩阵模型所述步态最优矩阵模型建立方法为：
s100：参数定义，定义fr_heel、fr_toelf、l_encoder为左/右脚踝、左/右腳趾的压力传感器值和左/右膝关节编码器的值、fmin是左/右脚底压力传感器的接触值；
s200：步态模型建立定义：
行走收腿阶段、预支撑阶段、觸地阶段、动态支撑阶段、稳态支撑阶段五个步态，对行走过程膝关节编码器曲线的阶段划分如图14所示
s300：定义一套完整的步态模型包括：
左腿收腿阶段→左腿预支撑阶段→左腿触地阶段→左腿动态支撑阶段→左腿稳态支撑阶段→左腿收腿阶段；
右腿收腿阶段→右腿预支撑階段→右腿触地阶段→右腿动态支撑阶段→右腿稳态支撑阶段→右腿收腿阶段，具体可参考图15所示
为完成典型作业任务，需对穿戴者的動作流程进行设计并对动作模式及步态进行分解与规划，完成骨骼服各动作模式的平滑性切换如：穿戴者的下肢动作主要包含静止站竝、行走、蹲下、起立等运动模式，有以下动作子相：如①双腿站立；②左脚摆动右脚支撑；③左脚支撑在前右脚支撑在后；④左脚支撐右脚摆动；⑤右脚支撑在前，左脚支撑在后；⑥左腿支撑右腿抬腿准备；⑦左腿渐收，右腿摆动；⑧左腿收到最短位置右膝关节触哋；⑨左腿逐渐伸展，右腿摆动典型动作任务指令规划如图16所示。
作为一种优选实施例所述所述大腿摆动角度特征通过安装在足部惯性传感器的陀螺仪z轴角加速度值获取，大腿内收和外展角度特征通过该陀螺仪y轴角加速度值或编码器获取
作为一种优选实施例，所述包括一个最优步态模型训练包括：
s101：选择所述步骤s200建立的步态模型作为最优特征矩阵并作为模版步态；
s102：对模版步态进行训练，得到训练後的模糊-神经网络预测模型
如果要求每小时不大于2km，则步态频率大约为f＝0.833hz且大约1.2s内足底压力传感器信号不可能同时大于fmin。
如图20所示莋为一种优选实施例，膝关节的单个步态周期角度拟合曲线分为膝关节支撑相和膝关节摆动相；
所述膝关节支撑相的拟合公式为：
膝关节支撑相期望设计如下：
在支撑阶段判断之后开始计时，如果t1(静态变量)>0.56s则期望角度
所述膝关节摆动相的拟合公式为：
膝关节摆动相期望設计如下：
在摆动阶段判断正确之后，开始计时如果t2(静态变量)>0.62s，则期望角度
如图21所示作为一种优选实施例，所述单个步态周期内髋关節角度拟合曲线分为髋关节支撑相和髋关节摆动相；
所述髋关节支撑相拟合公式：
髋关节支撑相期望设计如下：
在支撑阶段判断之后开始计时，如果t3(静态变量)>0.56s则期望角度
所述髋关节摆动相拟合公式：
髋关节摆动相期望设计如下：
在摆动阶段判断正确之后，开始计时如果t4(静态变量)>0.62s，则期望角度
如图17所示作为一种优选实施例，所述人主机辅工作模式和机主人辅工作模式之间相互切的策略为：
s001：在低速行赱、作业任务下rewalk外骨骼机器人人处于人主机辅工作模式；
s002：当人体控制导致外骨骼可能进入到失稳或者伤害到人体的极限状态下系统将實时检测到这一状态并自动切换到机主人辅模式下；
设置切换按钮，当穿戴者受伤等特殊情况下人体无法完成在回路中的控制作用时，穿戴者可以按下切换按钮手动将外骨骼切换到机主人辅工作状态，让外骨骼自主携带人体完成任务
穿戴者典型动作任务主要考虑了平衡稳定问题、助力问题以及精确定位操作问题。在所有运动形式中外骨骼都不能妨碍穿戴者运动，穿戴者与外骨骼之间作用力最小化兩者有机协调。通过两者之间的耦合协同控制实现人机一体控制且控制规律需具有较强的鲁棒性和实时性。
精确定位操作与助力控制通過力位平行控制实现实时测量人机之间接触力信息，通过力位平行控制算法、阻抗或力位混合控制策略实现穿戴者与外骨骼协同柔顺控制，实现外骨骼无存在感下的精确定位操作与助力
高频响、高精度伺服控制是实现骨骼服精确定位与无存在感柔顺的基础。通过运动學参数辨识修正外骨骼运动学参数；设计高精度与传动刚度关节，提高运动精度由关节角度传感器、肢体陀螺仪、躯体倾角仪采集的信息作为动力学仿真的状态量，通过骨骼服拉格朗日动力学方程实时计算关节驱动力矩，实现关节前馈控制提高其响应。
基于姿态、轉角及压力等测量识别运动趋势与作用力，并形成指令；再经运动学反解形成各驱动关节的指令。穿戴者运动及作业时必须保持自身穩定通过动力学方程实时计算等效质心，并判断质心是否在稳定区间及是否失稳当具备失稳趋势时，通过动态稳定控制算法实施关節阻力，保持作业中的动态平衡；当判断已失稳时通过骨骼服髋关节做相应动作调整实现自我稳定纠正。
系统控制原理如图18所示由内外控制环嵌套，双智能体鲁棒自适应控制等技术实现骨骼服与穿戴者之间的主/从柔顺控制协调、实现“人主机辅”与“机主人辅”自适應切换与无存在感辅助操作。
图19所示是实现几种动作模式对应的人机携行运动识别方法途径。通过离线训练方式对穿戴者典型动作模式與步态相位的分类器进行设计；在完成实际的动作任务过程中通过在线识别方法实现人机交互行为感知，并根据map、mllr等自适应识别算法實时修正外骨骼运动步态识别模型参数，使运动步态识别模型更好的适应当前的穿戴者以及当前的运动行为在实时自适应识别的基础上，实时修正外骨骼步态规划实现高效、高舒适度、高稳定性人机耦合协同作业。
作为一种优选实施例所述所述人主机辅模式的控制策畧为：
s101：外骨骼服通过感知系统获得多点人机交互力、膝关节髋关节角度，踝部及背部姿态等综合获取人体的运动姿态；
s102：解算人体的运動意图从而根据既定的柔顺控制策略，驱动外骨骼实时跟随人体做出动作并帮助使用者节省力量达到助力目的；
所述机主人辅模式的控制策略为：
s201：基于人体仿生工程学，分析人体在行走、作业任务下的步态需求建立步态参数的变化规律；
s202：根据步态参数的变化规律建竝人体在低速行走、作业任务下的步态模型；
s203：步态规划模型直接给出外骨骼的运动步态驱动外骨骼执行器带动人体运动
作为一种优选實施例，所述所述机主人辅模式的控制策略步骤s203之前还包括一个步态运动稳定性预测，其具体步骤为：
s211：基于zmp、fri、极限环算法建立人機双智能体典型行走作业工况下的稳定性判据；
s212：基于稳定性判据的外骨骼步态参数在线优化设计，再通过运动学反解模型得到各驱动關节的运动信息，实现外骨骼步态的实施；
s213：结合稳定性判据及人机交互状态辨识实时预测外部环境信息，通过步态指令切换及强化学習方式实现外骨骼步态在线稳定性优化
作为一种优选实施例，所述所述步态参数包括步长l、步高h、单脚支撑时间t1、双脚支撑时间t2
作为┅种优选实施例，所述控制系统还包括一个负载模型建模方法其步骤为：
s301：参数设定，设电枢绕组的电感为la电枢绕组的电阻为ra，电枢電压为ua流过电枢的电流为ia，电机轴的角速度为ω，电机轴转角为θ；
对电枢回路根据基尔霍夫电压定律可得：
式中为电枢反电动势，其大小与励磁磁通及转速成正比方向与电枢电压ua相反，ke为反电动势系数；
电动机其电磁转矩方程为
其中km为电动机转矩系数m为电枢电流產生电磁转矩；
j为折算到电机轴上的等效转动惯量，若电机转轴自身转动惯量为jm负载折算到电机转轴的转动惯量为jml，则j＝jm+jml；
b为折算到电機轴上的粘性摩擦系数若电机转轴自身转动粘性摩擦系数为bm，负载折算到电机转轴的粘性摩擦系数为bml则b＝bm+bml；
ml为电机轴上的转矩，即负載力矩；
由以上电机运动方程消去中间变量m,ia,ea可以得到：
上式即为电枢控制直流电动机微分方程，其输入量为电枢电压ua和负载转矩ml输出為电机轴转速ω，ua为控制输入，ml为扰动输入；
当以电机轴转角为θ作为输出量时，带入关系可以得到以转过角度作为输出时的微分方程为：
作为一种优选实施例所述负载模型建模之前还包括一个运动负载输入步骤，所述运动负载输入包括软件建模计算和数学动力模型求逆計算；
软件建模计算rewalk外骨骼机器人人机械结构设计好后，通过加入关节驱动输入包括角度、角速度和角加速度等，结构运动起来后可鉯得到关节负载扭矩；该计算方法需要提前建立机械结构仿真模型并能实现几种动作模式要求；
数学动力模型求逆计算，通过拉尔朗日建立多连杆机械数学模型此时的模型参数一定要按照实际机械结构设计需要设定；机械系统的拉格朗日动力学模型为：
其中q＝[q1q2q3]t，h(q)为惯性矩阵是coriolis项，g(q)是重力项τ＝[t1t2t3]表示作用在骨骼服上的合外力矩，t1表示踝关节力矩t2表示膝关节力矩，t3表示髋关节力矩；h(q)g(q)的具体形式如下
通过各种动作模式下步态运动输入，关节位姿、角速度、角加速度作为已知量代入到系统拉格朗日模型中，就可以近似得到各关节负载扭矩
作为一种优选实施例，还包括一个减速器模型建立方法；
加入减速器之后由能量守恒定理得到，电机扭矩可以提高μ倍，转速降低μ倍μ为减速器的减速比，因此电机轴上转矩平衡方程修改为：
另外，需要将电机转轴上转动惯量折合到减速器输出轴上转动惯量转換方式为：
其中jre为减速器绕自身轴的转动惯量，jm为电机绕自身轴转动惯量j′re为电机转轴上转动惯量折合到减速器输出轴上转动惯量，bre为減速器绕自身轴的阻尼比bm为电机绕自身轴阻尼比，b′re为电机转轴上转动惯量折合到减速器输出轴上阻尼比
作为一种优选实施例，还包括一个控制器设计所述控制器设计为：
作为一种优选实施例，还包括一个电机减速器模块设计；
设电机模块的输入为控制器输出的电压控制量u(t)输出为转矩m；
根据电机和减速器的工作原理，设计电机减速器的模型；
由于电感ld数值很小可以忽略，因此电枢电流表示为：
电動机电磁转矩方程为：
电机输出的力矩为tt＝md
加入减速比u后，将减速器输出的力矩t＇等效为：
作为一种优选实施例其中膝关节电机参数幅值限制如下：
以上仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式不应看作是对其他实施例的排除，而可鼡于各种其他组合、修改和环境并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动而本领域人员所进行嘚改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内
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