一种基于背部姿态信息的腰部助力设备控制方法与流程

1.本发明涉及穿戴助力设备技术领域，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。


背景技术：

2.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：
3.1、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。
4.2、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。
5.3、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。


技术实现要素：

6.本发明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。
7.第一方面，本发明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：
8.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；
9.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；
10.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；
11.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；
12.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；
13.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；
14.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；
15.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；
16.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；
17.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；
18.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；
19.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。
20.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。
21.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。
22.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。
23.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。
24.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。
25.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。
26.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。
27.第二方面，本发明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。
28.第三方面，本发明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。
29.本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
30.1、本发明使用到的姿态传感器较少，可解决传统基于生物电信号控制方法存在的易受人体生理条件及外界因素影响等问题，可靠性更高，实用性更强。
31.2、本发明适对搬运过程中的细分意图状态作进了一步区分，可识别出弯腰模式及弯腿模式两种模式，确保助力时机准确，助力效果佳，适配现有大多数搬运场景。
32.3、本发明可提高人体搬运模式识别准确率，增强助力柔顺性，提升人体主观感受，获得较好的助力效果和控制效果。
33.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
34.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
35.图1示出了一种搬运模式示意图；
36.图2示出了一种模式识别流程示意图；
37.图3示出了一种弯腰模式下腰部助力控制流程示意图；
38.图4示出了一种弯腿模式下腰部助力控制流程示意图。
具体实施方式
39.现在将参照若干示例性实施例来论述本公开的内容。应当理解，论述了这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本公开的内容，而不是暗示对本公开的范围的任何限制。
40.如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”要被解读为“至少一个其他实施例”。
41.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，使用的场景有限；但对于目前的有动力源腰部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，为解决上述技术问题，本发明实施例公开了一种基于背部姿态信息的腰部助力设备控制方法。
42.腰部助力设备控制方法可以包括以下步骤：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；s7，判断所述背部姿态角度是否达到n帧内极小值，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；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；s11，判断所述背部姿态角度是否达到n帧内极小值，若是，则执行步骤s12，否则，设置期望力矩为零；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。
43.在本实施例中，人体可穿戴助力设备是一种针对特定关节性助力的人体增强类的助力设备，这种助力设备主要是用来增加人的力量，拓展能力上限，是一种可让人体穿上的机器装置，主要用于辅助穿戴者肢体进行运动，尤其对于搬运过程，搬运重物时牵拉腰部的肌肉，时间过长腰部的负荷过大，局部的肌肉组织受到了反复牵拉就会引起充血、水肿和渗出，就会逐渐导致无菌性的炎症，引起腰肌劳损，作为可穿戴助力设备的一类，腰部助力设备不但能辅助重劳力者和护理人员提高负重能力，缓解工作疲劳，延长工作寿命，提供工作效率，而且能保护重劳力者和护理人员的骨骼和肌肉，降低腰肌劳损和腰椎损伤的风险；但对于搬运的过程，基于待搬运货物的环境情况和搬运人的不同习惯，有不同的搬运模式，如图1所示，在搬运大体积重物时，一般存下以下两种模式：弯腰模式和弯腿模式，弯腰模式下，搬运人以腰部为旋转点，通过背部相对于该旋转点弯曲一定的角度，使双手可以抱紧重物，再通过腰部发力使背部逆向旋转回位，此过程中，腿部仅弯曲一定程度作为辅助；弯腿模式下，搬运人以腰部为旋转点，通过腿部弯曲相对于该旋转点弯曲一定的角度，使双手可以抱紧重物，再通过腰部和腿部发力使腿部逆向旋转回位，此过程中，背部仅弯曲一定程度作为辅助。
44.在本实施例中，基于背部姿态信息的腰部助力设备控制方法分为两个大步骤，其
中，第一个大步骤主要为对工作模式进行识别并确认，第二个大步骤主要为对腰部助力时机和扭矩的确定。
45.在本实施例中，对于第一个大步骤，如图2所示，由于腰部助力设备是辅助穿戴者肢体进行各项运动，因此需先判断是否进入搬运模式，该前提是前一时刻的运动模式不为搬运模式，即mode(t-1)=0，mode(t-1)为前一时刻运动模式，第一个大步骤包括以下步骤：s1，在前一时刻运动模式不为搬运模式的前提下，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θ
back
(t)、左大腿姿态角度θ
lthigh
(t)和右大腿姿态角度θ
rthigh
(t)；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
│
θ
lthigh
(t)-θ
rthigh
(t)
│
；s3，判断当前时刻背部姿态角度是否小于阈值α1，即θ
back
(t)《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，即
│
θ
lthigh
(t)-θ
rthigh
(t)
│
《α2，若是，则进入搬运模式，即mode(t)=1，mode(t)为当前时刻运动模式，并执行步骤s4，否则，保持前一时刻运动模式，即mode(t)=mode(t-1)，mode(t)为当前时刻运动模式，mode(t-1)为前一时刻运动模式；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，即(θ
lthigh
(t)+θ
rthigh
(t))/2《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；通过以上设置首先准确识别当前情况下腰部助力设备的穿戴人是否要进行搬运动作以及要进行那种搬运动作，再基于识别出的搬运动作进一步进行针对性的助力，提高助力效果，减少无效助力。
46.对于第二个大步骤，如图3所示，弯腰搬运模式与弯腿搬运模式均是针对起身阶段的助力，并且弯腰搬运模式与弯腿搬运模式的助力时机、助力标准、助力力矩等均不同，对于弯腰搬运模式，包括以下步骤：s5，基于当前时刻背部姿态角度θ
back
(t)和前一时刻背部姿态角度θ
back
(t-1)，计算得到背部姿态角速度ω
back
(t)，背部姿态角速度ω
back
(t)=(θ
back
(t)-θ
back
(t-1))/t，其中t为采样周期；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ω
lthigh
(t)；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ω
rthigh
(t)；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φ
back
(t)；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，即ω
lthigh
(t)+ ω
rthigh
(t)《α4，并且背部相角是否大于等于阈值α5，即φ
back
(t)≥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。
47.对于第二个大步骤，如图4所示，弯腰搬运模式与弯腿搬运模式均是针对起身阶段的助力，并且弯腰搬运模式与弯腿搬运模式的助力时机、助力标准、助力力矩等均不同，对于弯腿搬运模式，包括以下步骤：s9，基于当前时刻背部姿态角度θ
back
(t)、左大腿姿态角度θ
lthigh
(t)和右大腿姿态角度θ
rthigh
(t)，计算当前时刻左右大腿姿态角度平均值，即θ
ave
=(θ
lthigh
(t)+θ
rthigh
(t))/2，基于当前时刻左右大腿姿态角度平均值，计算当前时刻左右大腿姿态角度平均值与背部姿态角度的差值，得到当前时刻第一差值角度，即θ(t)=θ
ave-θ
back
(t)，同理得到前一时刻的第一差值角速度，即θ(t-1)；对第一差值角度进行差分，得到即第一差值角速度，即ω(t)=(θ(t)-θ(t-1))/t，其中t为采样周期；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ω
lthigh
(t)；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ω
rthigh
(t)；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；s11，判断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；s12，判断左大腿角速度、右大腿角速度之和是否小于阈值α4，即ω
lthigh
(t)+ ω
rthigh
(t)《α4，并且第一差值相角是否大于等于阈值α5，即φ
back
(t)≥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。
48.在本实施例中，搬运模式下，搬运人分为下蹲和起身两个过程，助力主要发生在起身阶段，因此需要判断助力时机，也就是判断搬运人下蹲后的起身时机，因此需要判断背部姿态角度是否达到n帧内极小值，若达到n帧内极小值，说明达到助力时机，开始助力。
49.在一些实施例中，姿态传感器包括背部姿态传感器和腿部姿态传感器，背部姿态传感器设于腰部助力设备后背中部，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，左大腿姿态传感器、右大腿姿态传感器分别设于腰部助力设备左、右大腿中部。
50.在本实施例中，背部姿态传感器设于腰部主力设备后背中部为左右方向上的中部，在上下方向上，背部姿态传感器可设于中部和下部，进一步增加了数据采集的准确性，大腿姿态传感器设于大腿长度上的中部，在周向上，大腿姿态传感器可设于大腿内侧，可以设于大腿外侧，可以设于大腿周向上的任意位置。
51.在一些实施例中，腰部助力设备采用电机助力，电机包括左电机、右电机，左电机、右电机分别设于腰部助力设备左、右髋部。
52.在本实施例中，左右电机可同时控制，也可以分别单独控制。
53.在一些实施例中，阈值α1取值范围为140度~170度，阈值α2取值范围为5度~15度。
54.在本实施例中，在本实施例中，在搬运人正常站直的情况下，背部姿态角度为180度，随着搬运人以腰部为旋转点，通过背部相对于该旋转点弯曲一定的角度时，背部姿态角度是逐渐减小的，同时，在搬运人正常站直的情况下，腿部姿态角度为0度，随着搬运人以腰部为旋转点，通过大腿部相对于该旋转点弯曲一定的角度时，腿部姿态角度是逐渐增大的，在人体运动过程中，有各种运动模式，对于搬运模式，腰部和腿部均会产生一定程度的弯曲，通过合理的判断标准的设定，可以提高人体运动模式的准确性，进而提高助力的准确性。
55.在一些实施例中，阈值α3取值范围为20度~35度。
56.在本实施例中，在搬运模式下，弯腰搬运相对于弯腿搬运时的腿部弯曲程度小，通过合理的判断标准的设定，可以提高人体运动模式的准确性，进而提高助力的准确性。
57.在一些实施例中，阈值α4取值范围为-5度/s~5度/s，阈值α5取值范围为-π/16~π/16。
58.在一些实施例中，阈值α6取值范围为-5度/s~5度/s，阈值α7取值范围为π/6~π/3。
59.在一些实施例中，步骤s6中，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。
60.在一些实施例中，步骤s8中，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。
61.在一些实施例中，所述步骤s9中，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。
62.在一些实施例中，所述步骤s12中，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。
63.在以上实施例中，左右电机转矩相同。
64.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。
65.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。
66.基于同一发明构思，本发明还公开了一种电子设备，电子设备包括：存储器，用于存储指令；以及处理器，用于调用存储器存储的指令执行腰部助力设备控制方法。
67.基于同一发明构思，本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有指令，指令被处理器执行时，执行腰部助力设备控制方法。
68.可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、
“”
和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
69.进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
70.进一步可以理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
71.进一步可以理解的是，除非有特殊说明，“连接”包括两者之间不存在其他构件的直接连接，也包括两者之间存在其他元件的间接连接。
72.进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
73.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的
权利要求指出。
74.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

技术特征：
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，否则，设置期望力矩为零；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。2.根据权利要求1所述的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。3.根据权利要求1所述的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，所述基于背部姿态信息的腰部助力设备控制方法采用电机助力，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。4.根据权利要求1所述的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。5.根据权利要求1所述的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。6.根据权利要求1所述的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。7.根据权利要求1所述的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。8.根据权利要求1所述的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。

技术总结
本发明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
受保护的技术使用者：贵州航天控制技术有限公司
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/7/21