本技術(shù)涉及機器人，具體涉及一種有源助力外骨骼數(shù)字孿生感知控制系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的不斷發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)夹g(shù)融合與創(chuàng)新需求日益增長，如軍事、工業(yè)、醫(yī)療等，工作人員面臨著繁重的體力勞動和高強度的工作壓力。有源助力外骨骼作為一種能夠增強人體力量、減少體力消耗的技術(shù)，具有顯著的應用價值。數(shù)字孿生技術(shù)是交互系統(tǒng)平臺實現(xiàn)物理世界與虛擬世界深度交互的關(guān)鍵。數(shù)字孿生能夠在虛擬空間中創(chuàng)建出與實體裝備相對應的虛擬副本，通過對現(xiàn)實物體的多學科、多物理量、多尺度的仿真過程進行集成優(yōu)化和精確建模，以實現(xiàn)對實體裝備全生命周期的精確映射和仿真。

2、目前市場上的有源助力外骨骼交互系統(tǒng)大多側(cè)重于提供物理層面的支持和增強，外骨骼與、數(shù)字孿生技術(shù)的結(jié)合不夠緊密，難以實現(xiàn)高效的信息傳遞和協(xié)同工作。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷或不足，本技術(shù)旨在提供一種有源助力外骨骼數(shù)字孿生感知控制系統(tǒng)及控制方法。

2、第一方面，本技術(shù)提出一種有源助力外骨骼數(shù)字孿生感知控制系統(tǒng)，包括：

3、外骨骼物理實體，所述外骨骼物理實體包括髖關(guān)節(jié)、與髖關(guān)節(jié)鉸接的兩個外骨骼下肢、與髖關(guān)節(jié)連接的外骨骼背板，所述外骨骼物理實體穿戴于人體上，人體帶動所述外骨骼物理實體動作；

4、感知反饋模塊，所述感知反饋模塊設于所述外骨骼物理實體上，包括與所述外骨骼物理實體連接的傳感器組，和與所述傳感器組連接的采集單元，所述傳感器組包括多個用于獲取所述外骨骼物理實體的第一數(shù)據(jù)信息的傳感器，所述采集單元用于采集各所述傳感器測量得到的第一數(shù)據(jù)信息，所述第一數(shù)據(jù)信息包括姿態(tài)信息、電池電量信息；

5、智能控制模塊，所述智能控制模塊與所述采集單元連接，配置用于對所述第一數(shù)據(jù)信息進行數(shù)據(jù)處理，得到第二數(shù)據(jù)信息，并通過所述第二數(shù)據(jù)信息得到所述外骨骼物理實體的運動狀態(tài)；

6、數(shù)字孿生模塊，所述數(shù)字孿生模塊與所述智能控制模塊電連接，配置用于構(gòu)建并顯示虛擬外骨骼模型，所述虛擬外骨骼模型用于模擬所述外骨骼物理實體，還配置用于接收所述智能控制模塊發(fā)送的所述第二數(shù)據(jù)信息，通過所述第二數(shù)據(jù)信息調(diào)整所述虛擬外骨骼模型的姿態(tài)，使其與所述外骨骼物體實體同步；還配置用于將所述第一數(shù)據(jù)信息和所述第二數(shù)據(jù)信息擬合為可下載的實時曲線，供所述智能控制模塊進行算法優(yōu)化迭代。

7、根據(jù)本技術(shù)實施例提供的技術(shù)方案，所述外骨骼物理實體上還設有驅(qū)動模塊；所述智能控制模塊還配置用于根據(jù)所述運動狀態(tài)向所述驅(qū)動模塊發(fā)送助力指令，所述驅(qū)動模塊根據(jù)所述助力指令驅(qū)動所述外骨骼物理實體動作，實現(xiàn)助力補償。

8、根據(jù)本技術(shù)實施例提供的技術(shù)方案，還包括終端調(diào)試模塊，所述終端調(diào)試模塊與所述智能控制模塊電連接，所述終端調(diào)試模塊配置用于在調(diào)試階段接收所述智能控制模塊發(fā)送的所述第一數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)判斷所述第一數(shù)據(jù)信息的可靠性。

9、第二方面，本技術(shù)提出一種如以上所述的有源助力外骨骼數(shù)字孿生感知控制系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟：

10、s100.構(gòu)建虛擬外骨骼模型，所述虛擬外骨骼模型用于模擬所述外骨骼物理實體；

11、s200.實時采集當前所述外骨骼物理實體的第一數(shù)據(jù)信息，所述第一數(shù)據(jù)信息包括姿態(tài)信息、電池電量信息；所述姿態(tài)信息包括外骨骼背板傾角、兩個外骨骼下肢的擺動角以及兩個髖關(guān)節(jié)的力矩值；

12、s300.根據(jù)所述第一數(shù)據(jù)信息計算得到第二數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)所述第二數(shù)據(jù)信息得到運動狀態(tài)，其中，所述運動狀態(tài)包括行走蹲起狀態(tài)和行走站立狀態(tài)，所述第二數(shù)據(jù)信息包括外骨骼背板傾斜角速度、外骨骼背板傾斜角加速度、左腿角速度、左腿角加速度，右腿角速度、右腿角加速度；

13、s400.接收所述第一數(shù)據(jù)信息和所述第二數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)所述第二數(shù)據(jù)信息調(diào)整并顯示所述虛擬外骨骼模型的姿態(tài)，使其與所述外骨骼物理實體同步。

14、根據(jù)本技術(shù)實施例提供的技術(shù)方案，步驟s100之前還包括如下步驟：

15、s001.獲取運動狀態(tài)集合，所述運動狀態(tài)集合包括所有運動狀態(tài)；

16、s002.遍歷所述運動狀態(tài)集合，根據(jù)各所述運動狀態(tài)控制驅(qū)動所述外骨骼物理實體動作，并周期性地采集所述外骨骼物理實體的所述姿態(tài)信息和所述第二數(shù)據(jù)信息；

17、s003.重復執(zhí)行步驟s002，并構(gòu)建運動參數(shù)數(shù)據(jù)庫，所述運動參數(shù)數(shù)據(jù)庫至少包括運動狀態(tài)，以及各運動狀態(tài)下，各采集時刻的所述姿態(tài)信息和所述第二數(shù)據(jù)信息的值；

18、s004.根據(jù)所述運動參數(shù)數(shù)據(jù)庫，得到運動參數(shù)曲線數(shù)據(jù)庫，所述運動參數(shù)曲線數(shù)據(jù)庫包括所述運動狀態(tài)，與所述運動狀態(tài)對應的運動參數(shù)集合，所述運動參數(shù)集合包括各所述姿態(tài)信息和所述第二數(shù)據(jù)信息，以及與各所述姿態(tài)信息和所述第二數(shù)據(jù)信息對應的運動曲線。

19、根據(jù)本技術(shù)實施例提供的技術(shù)方案，步驟s300之后步驟s400之前還包括如下步驟：

20、s310.重復執(zhí)行步驟s200-s300，并構(gòu)建實時數(shù)據(jù)庫，所述當前數(shù)據(jù)庫至少包括當前采集時刻和當前采集時刻之前各采集時刻采集的第一數(shù)據(jù)信息和第二數(shù)據(jù)信息；

21、s320.根據(jù)所述實時數(shù)據(jù)庫按照狀態(tài)判斷策略，得到當前時刻的運動狀態(tài)；s330.調(diào)用運動參數(shù)曲線數(shù)據(jù)庫得到與當前時刻的運動狀態(tài)對應的運動曲線；

22、s340.控制驅(qū)動所述外骨骼物理實體按照所述運動曲線動作，實現(xiàn)助力補償；

23、s350.重復執(zhí)行步驟s200-s300并更新實時數(shù)據(jù)庫；

24、s360.重復執(zhí)行步驟s310-s360，實現(xiàn)連續(xù)助力補償。

25、根據(jù)本技術(shù)實施例提供的技術(shù)方案，步驟s350中執(zhí)行步驟s200之后還包括如下步驟：

26、s210.根據(jù)所述第一數(shù)據(jù)信息判斷是否滿足過載條件，當滿足過載條件時，控制減小驅(qū)動所述外骨骼物理實體動作的輸入電流，直至退出助力狀態(tài)。

27、根據(jù)本技術(shù)實施例提供的技術(shù)方案，根據(jù)所述第一數(shù)據(jù)信息判斷是否滿足過載條件包括如下步驟：

28、s211.根據(jù)所述姿態(tài)信息中的外骨骼背板傾角、兩個外骨骼下肢的擺動角得到當前時刻所述外骨骼物理實體的位姿狀態(tài)；

29、s212.判斷所述姿態(tài)信息中的力矩值小于安全閾值，或者位姿狀態(tài)與步驟s320得到的運動狀態(tài)不同時，則判定滿足過載條件。

30、根據(jù)本技術(shù)實施例提供的技術(shù)方案，驟s400還包括如下步驟：根據(jù)所述電池電量信息判斷電池電量是否小于預設電量，當小于所述預設電量時，生成并顯示提醒指令，所述提醒指令用于提醒用戶充電。

31、根據(jù)本技術(shù)實施例提供的技術(shù)方案，步驟s100之前還包括如下步驟：

32、s010.獲取所述外骨骼物理實體的姿態(tài)信息；

33、s020.對所述姿態(tài)信息進行濾波處理，得到平穩(wěn)參數(shù)信息；

34、s030.將所述平穩(wěn)參數(shù)信息與實際測量參數(shù)信息進行比較，若二者相同，則繼續(xù)執(zhí)行步驟s100。

35、綜上所述，本技術(shù)提出一種有源助力外骨骼數(shù)字孿生感知控制系統(tǒng)，包括穿戴于人體上的外骨骼物理實體，與其連接的用于獲取其姿態(tài)信息和電池電量信息的感知反饋模塊，與感知反饋模塊連接的用于對姿態(tài)信息進行數(shù)據(jù)處理的智能控制模塊，以及與智能控制模塊連接的數(shù)字孿生模塊，數(shù)字孿生模塊接收智能控制模塊處理得到的第二數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)第二數(shù)據(jù)信息調(diào)整用于模擬外骨骼物理實體的虛擬外骨骼的姿態(tài)，使得虛擬外骨骼模型和外骨骼物理實體的運動姿態(tài)相同；并將第一數(shù)據(jù)信息和第二數(shù)據(jù)信息擬合為可下載的實時曲線，供智能控制模塊算法優(yōu)化迭代，提高識別和助力算法的精度與響應速度。本技術(shù)結(jié)合數(shù)字孿生體與物理實體之間的相互映射，直觀展示和實時反饋，為用戶提供更加舒適、高效的使用體驗；另外為外骨骼物理實體生產(chǎn)設計調(diào)試和使用階段提供可靠的數(shù)據(jù)信息與優(yōu)化參數(shù)，實現(xiàn)外骨骼物理實體穿戴舒適性和助力高效性。