CN111358667A - 基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法。该控制方法包括步骤：建立外骨骼机器人的腿部运动学模型，所述腿部包括第一腿和第二腿；在所述腿部运动学模型的基础上，设计支撑阶段的外骨骼机器人的支撑运动控制器模型；在所述腿部运动学模型的基础上，设计摆动阶段的外骨骼机器人的摆动运动控制器模型；根据所述第一腿和第二腿所处阶段的不同，分别采用支撑运动控制器模型或者摆动运动控制器模型相应地控制第一腿的运动或第二腿的运动。该控制方法的实现过程简单、控制过程中所需调整的参数个数较少且可以实现随动的控制效果。
Description
技术领域
本发明涉及康复工程的技术领域，具体涉及一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制的方法。
背景技术
外骨骼助行机器人是集人体信息检测、机器人自动控制、神经工程等多学科知识于一身的高科技成果。机器人设计与研发旨在采用机器运动辅助技术实现预定的人体运动功能，由“意图产生”、“意图识别”、“反馈刺激”三个关键节点实现其完整的功能。外骨骼助行机器人的控制过程可以描述为：首先由穿戴者产生运动意图；然后由机器人上的传感器捕捉到人的运动意图，并利用多种识别算法将人的运动意图进行分类量化；最后由机器人的关节控制器根据人体运动意图的识别结果对机器人各关节电机进行调节，实现辅助人体运动的功能。人与机器人外骨骼是两种不同的动态***，在人穿戴外骨骼行走过程中，人与外骨骼之间需要相互协作才能达到共同的行走目的。所以，人机协作需要分成两部分：其中之一便是外骨骼机器人的控制方法，另一个是将人的运动意图传递给外骨骼。
目前，针对外骨骼助行机器人关节控制的方法包括相位序列控制方法、基于预定步态的控制方法和灵敏度放大控制方法。相位序列控制方法首先将人体下肢的活动(如行走、站立、爬楼梯等)分成不同的相位阶段，并为相邻相位的切换设置相位过渡时间，然后针对不同相位设置好机器人应该施加的辅助力，在机器人运行过程中，控制器根据传感器反馈信息确定机器人当前活动的相位阶段，然后根据提前设置好的辅助力对人体施加影响，实现对人体下肢活动提供辅助的功能。相位序列控制控制方法针对人体下肢不同活动的不同阶段设置好了辅助力的大小，能够实现多种辅助功能；但是，各相位辅助力参数设置复杂、难以实施，并且所设置的辅助力又比较固定，缺少灵活性，需要针对不同的用户进行个性化定制。基于预定步态的控制方法在获取到人的运动意图之后，根据当前关节活动状态与预定义的参考关节角度和参考角速度的偏差来调整辅助力矩，如果当前机器人活动状态与预定义的参考状态一致，则辅助力为零。基于预定步态的控制方法避免了相位序列控制方法为每个相位设定固定辅助力矩的局限性，能够根据机器人运行状态动态调整辅助力矩的大小；但是，对参考轨迹设计的要求较高，一条固定的参考轨迹难以适应不同的用户在不同环境状态下的辅助操作，而且在运动过程中无法针对用户的行走意愿对辅助力进行动态调节。灵敏度放大控制方法将人施加的力到外骨骼输出的传递函数定义为灵敏度函数，目标就是通过控制器的设计使得该灵敏度函数最大化，从而实现用很小的力就能改变外骨骼的动作。灵敏度放大控制方法不需要在人机之间安装传感器，仍然可以控制外骨骼跟随穿戴者运动，但是，严格依赖于外骨骼的逆动力学模型的准确性。
因此，针对现有的针对外骨骼助行机器人关节控制方法所存在的问题，需要提供一种在行走过程中能够对外骨骼机器人进行调节且实现用户与机器人之间的协调运动的人机交互控制方法。
发明内容
针对现有的针对外骨骼助行机器人关节控制方法所存在的问题，本发明实施例提供一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法。该基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法实现过程简单、控制过程中所需调整的参数个数较少且可以实现随动的控制效果。
该基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法的具体方案如下：一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法包括步骤：建立外骨骼机器人的腿部运动学模型，所述腿部包括第一腿和第二腿；在所述腿部运动学模型的基础上，设计支撑阶段的外骨骼机器人的支撑运动控制器模型；在所述腿部运动学模型的基础上，设计摆动阶段的外骨骼机器人的摆动运动控制器模型；根据所述第一腿和第二腿所处阶段的不同，分别采用支撑运动控制器模型或者摆动运动控制器模型相应地控制第一腿的运动或第二腿的运动。
优选地，所述第一腿的腿部运动学模型和第二腿的腿部运动学模型相同。
优选地，所述第一腿处于支撑阶段时，采用支撑运动控制器模型控制第一腿的运动；所述第二腿处于摆动阶段时，采用摆动运动控制器模型控制第二腿的运动。
优选地，所述第一腿处于摆动阶段时，采用摆动运动控制器模型控制第一腿的运动；所述第二腿处于支撑阶段时，采用支撑运动控制器模型控制第二腿的运动。
优选地，所述腿部运动学模型为外骨骼机器人的踝关节末端速度与各关节角速度的关系，所述关系表达式如下式所示：
其中，Ay＝Lusin(θ1)+Ldsin(θ1-θ2)，Az＝-Lucos(θ1)-Ldcos(θ1-θ2)，Ay表示踝关节在Y轴上的坐标，Az表示踝关节在Z轴上的坐标，Lu为外骨骼机器人的大腿长度，Ld为外骨骼机器人的小腿长度，θ1为外骨骼机器人的髋关节向前抬腿的旋转角度，θ2为外骨骼机器人的膝关节弯曲的角度。
优选地，根据所述腿部运动学模型可推导获得外骨骼机器人的腿部的雅克比矩阵，所述雅克比矩阵的表达式如下所示：
其中，J为雅克比矩阵，Lu为外骨骼机器人的大腿长度，Ld为外骨骼机器人的小腿长度，θ1为外骨骼机器人的髋关节向前抬腿的旋转角度，θ2为外骨骼机器人的膝关节弯曲的角度
优选地，所述支撑运动控制器模型为在支撑阶段中外骨骼机器人的腿部关节的支撑期望角速度，所述支撑期望角速度的表达式如下式所示：
其中，
为外骨骼机器人的腿部关节的支撑期望角速度；τh为外骨骼机器人的髋关节和膝关节所承受的人与外骨骼机器人之间的交互力矩；J为雅可比矩阵，由腿部运动学模型推导获得；A0为外骨骼机器人的踝关节在支撑阶段时的参考坐标；A为外骨骼机器人的踝关节当前期望的速度；K1是用于调节踝关节偏离参考姿态时所受回复力大小的刚性系数；K2是用于调节踝关节当前期望速度大小的弹性系数。
优选地，所述摆动运动控制器模型为在摆动阶段中外骨骼机器人的腿部关节的摆动期望角速度，所述摆动期望角速度的表达式如下式所示：
其中，
为外骨骼机器人的腿部关节的摆动期望角速度；τh为外骨骼机器人的髋关节和膝关节所承受的人与外骨骼机器人之间的交互力矩；J为雅可比矩阵，由腿部运动学模型推导获得；Ar为外骨骼机器人的踝关节在摆动阶段时的参考坐标；A为外骨骼机器人的踝关节当前期望的速度；K1是用于调节踝关节偏离参考姿态时所受回复力大小的刚性系数；K2是用于调节踝关节当前期望速度大小的弹性系数。
优选地，所述τh可通过安装在大腿和小腿处的压力传感器取得的数值计算而获得。
优选地，所述外骨骼机器人包括：腿部，用于辅助人腿行走；电机，与所述腿部连接，用于驱动所述腿部运动；穿戴部，与所述腿部和所述电机连接，用于将所述外骨骼机器人固定至人体上；足部，与所述腿部连接，用于支撑人脚；压力传感器，用于采集所述外骨骼机器人在行走过程中的压力信息。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例提供一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制方法通过将外骨骼机器人辅助人类行走过程分成支撑阶段和摆动阶段，控制过程不必对外骨骼机器人建立复杂的动力学模型，也不用提前设定好外骨骼的活动轨迹，仅需根据人与外骨骼当前的交互状态对外骨骼机器人进行控制，从而控制过程更容易实现。进一步地，本发明实施例提供一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制方法所需要调节的参数数量较少、建模过程简单直观且容易理解。进一步地，本发明实施例提供一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制方法可通过调节同一个控制器的控制参数达到多种控制效果。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制方法的流程步骤示意图；
图2为图1所示实施例中所采用外骨骼机器人的结构示意图；
图3为采用图2所述外骨骼机器人进行辅助行走姿势的描述示意图；
图4为图1所示实施例中人机交互控制器的结构示意框图。
附图中的标记说明：
100、外骨骼机器人 10、穿戴部 20、腿部
21、第一腿部 23、第二腿部 30电机
40足部 41、第一足部 43、第二足部
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明实施例中提供的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制方法的流程步骤示意图。在该实施例中，一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制方法包括四个步骤。
步骤S1：建立外骨骼机器人的腿部运动学模型，所述腿部包括第一腿和第二腿。第一腿也可称为左腿，第二腿也可称为右腿。在该实施例中，第一腿的腿部运动学模型和第二腿的腿部运动学模型相同。
参照图2，本发明实施例中所采用外骨骼机器人100的结构示意图。外骨骼机器人100包括用于辅助人腿行走腿部20，与腿部20连接且用于驱动腿部20运动的电机30，与腿部20和电机30连接且用于将外骨骼机器人100固定至人体上的穿戴部10，与腿部20连接且用于支撑人脚的足部40，用于采集外骨骼机器人100在行走过程中的压力信息的压力传感器(图中未示出)。
进一步地，腿部20包括第一腿部21和第二腿部23，第一腿部21和第二腿部23的结构设计相同。每一个腿部包括大腿部、小腿部、连接大腿部和小腿部的膝关节、大腿部上方的髋骨节。优选地，外骨骼机器人的大腿和小腿外设有绑带。绑带将人体的下肢固定在外骨骼机器人的腿部。足部40包括第一足部41和第二足部43。第一足部41与第一腿部21连接，且两者连接处设有踝关节。第二足部43与第二腿部23连接，且两者连接处设有踝关节。
压力传感器可以包括多个设置在外骨骼机器人100不同位置处的不同的压力传感器。具体如，设置在外骨骼机器人的大腿部和小腿部之间的压力传感器，该压力传感器用于采集人体的大腿小腿同外骨骼机器人的外骨骼的交互力信息；设置在足部的压力传感器，该传感器用于采集足底压力，从而检测人体的运动状态变化信息。
电机30采用直流电机。通过本发明实施例所提供的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法对电机30进行调节，为穿戴外骨骼机器人100的用户的行走提供动力辅助。
本发明实施例中第一腿的腿部运动学模型相同于第二腿的腿部运动学模型，因此，本发明实施例仅以第一腿的腿部运动学模型的建模过程作为阐述。参照图3，将外骨骼支撑状态下髋关节旋转中心点设为H，膝关节旋转中心点设为K，踝关节旋转中心点设为A，外骨骼机器人大腿长度设为Lu，外骨骼机器人小腿长度设为Ld，髋关节向前抬腿的旋转角度设为θ1，膝关节弯曲的角度设为θ2，大腿受到的抬腿方向交互力为Fu1，大腿受到的落腿方向的交互力为Fu2，小腿受到踢腿方向的交互力为Fd1，小腿受到的曲腿方向的交互力为Fd2，外骨骼机器人抬腿时膝关节参考点的位置是K’，外骨骼机器人抬腿时踝关节参考点的位置是A’。
以H点为原点，竖直向上为Z轴方向，髋关节旋转轴向内为X轴方向，建立参考坐标系。此时，踝关节在Y轴上的坐标如公式1所示：
Ay＝Lusin(θ1)+Ldsin(θ1-θ2) (公式1)
此时，踝关节在Z轴上的坐标如公式2所示：
Az＝-Lucos(θ1)-Ldcos(θ1-θ2) (公式2)
根据公式1和公式2，计算得到踝关节末端速度与各关节角速度的关系如公式3所示：
公式3即为腿部运动学模型。根据公式3可以推导得出，外骨骼腿部的雅可比矩阵如公式4所示：
步骤S2：在所述腿部运动学模型的基础上，设计支撑阶段的外骨骼机器人的支撑运动控制器模型。在支撑阶段，踝关节的参考坐标为A0(Ay0,Az0)，则人与外骨骼机器人之间的交互关系可以用公式5来描述：
其中，F为期望的交互作用力，
为踝关节当前期望的速度，K1是刚性系数，K2为弹性系数。K1用于调节踝关节偏离参考姿态时所受回复力的大小，且K1＞0。K2用于调节踝关节当前期望速度的大小，且K2＞0。期望的交互作用力F可以通过雅可比矩阵转换到各个关节上(τh＝JTF)。当前期望的速度A也可以通过雅可比矩阵转换到各个关节上
因此，公式5也可以重写成公式6：
其中，
为外骨骼腿部关节的支撑期望角速度；τh为外骨骼髋关节和膝关节所承受的人与外骨骼之间的交互力矩，可以通过安装在大腿和小腿处的压力传感器取得的数值计算而得；J为雅可比矩阵，由外骨骼运动学模型推导可得。公式6即为支撑运动控制器的数学模型。
步骤S3：在所述腿部运动学模型的基础上，设计摆动阶段的外骨骼机器人的摆动运动控制器模型。如步骤S2中的设计过程类似，在摆动阶段，若踝关节的参考坐标为Ar(Ayr,Azr)，此时，外骨骼机器人的摆动运动控制器的数学模型可以描述如公式7所示：
其中，
为外骨骼机器人的腿部关节的摆动期望角速度。公式7和公式6实质为同一控制器数学模型，只是参考坐标不同而已。
步骤S4：根据所述第一腿和第二腿所处阶段的不同，分别采用支撑运动控制器模型或者摆动运动控制器模型相应地控制第一腿的运动或第二腿的运动。控制模式具体包括：当第一腿处于支撑阶段时，采用支撑运动控制器模型控制第一腿的运动；当第二腿处于摆动阶段时，采用摆动运动控制器模型控制第二腿的运动。当第一腿处于摆动阶段时，采用摆动运动控制器模型控制第一腿的运动；当第二腿处于支撑阶段时，采用支撑运动控制器模型控制第二腿的运动。
参照图3，本发明实施例中外骨骼机器人进行辅助行走姿势的描述示意图。假设人体穿戴外骨骼机器人进行行走时，先迈第一腿，则在起步阶段第一腿为摆动腿，第二腿为支撑腿。该阶段的控制过程可以描述如下：
第一腿踝关节的参考点为图3中的A’点，设该点坐标为Ar(Ayr,Azr)，则采用公式6作为该阶段外骨骼第一腿的控制器，此时人机交互力矩τh为零。在控制器的作用下，踝关节当前点与参考点之间的虚拟弹簧阻尼会产生一个期望运动速度，使外骨骼第一腿产生朝向参考点的运动趋势。随后，人机交互力矩τh会逐渐增加，如果穿戴外骨骼机器人的人不想运动，产生的最终状态是τh＝JTK1(Ar-A)，此时控制器输出的期望运动速度为零，但是始终存在一个朝向参考点运动的趋势。如果穿戴外骨骼机器人的人想迈第一腿，则交互力矩τh会下降，控制器会产生一个朝向参考点的期望速度，由底层控制器控制外骨骼第一腿进行运动，直至第一腿到达参考点。当第一腿踝关节到达指定参考点后，虚拟弹簧阻尼的作用变弱，穿戴外骨骼机器人的人可以通过人机交互力矩操作外骨骼机器人第一腿完成落地，实现第一腿运动状态由摆动阶段向支撑阶段的切换。
在第一腿摆动阶段，第二腿为支撑阶段，第二腿踝关节的参考点为图3中的A点，设该点坐标为A0(Ay0,Az0)，则采用公式7作为该阶段第二腿的控制器。由于当前第二腿踝关节正处在参考点处，并且在支撑阶段第二腿踝关节会始终在参考点附近活动，所以虚拟弹簧阻尼的作用很弱，控制器产生的参考速度由第二腿的人机交互力矩进行主导。当第一腿由摆动腿向支撑腿过渡时，第二腿也活动到了支撑腿的最大幅度，积攒了一定的运动趋势，这就使得第二腿在由支撑腿向摆动腿过渡过程中不会产生较大的突变，保证了过渡的平稳。
如此循环往复，通过参考点在第一腿和第二腿支撑阶段与摆动阶段的切换，本发明实施例所提供的运动控制器实现了外骨骼助行机器人对穿戴外骨骼机器人的运动进行辅助的功能。
本发明实施例所提供的支撑运动控制器或摆动运动控制器在外骨骼机器人踝关节与参考点之间形成了一条虚拟的弹簧阻尼，该弹簧阻尼可以在线调节，达到了外骨骼机器人对穿戴者运动进行辅助的目的。
参照图4，本发明实施例中人机交互控制器的结构示意框图。人机交互控制器(即运动控制器)进行人机交互的过程具体为：确定踝关节的参考点位置Ar和阻抗控制参数K1和K2，通过公式6或公式7的运动控制器对外骨骼期望角速度
进行控制，且该控制过程为闭环控制。控制过程中，人机交互力矩τh和外骨骼各个关节的当前状态(包括参考点A和雅克比矩阵J)作为闭环反馈参数。下层控制器根据外骨骼期望角速度
控制外骨骼机器人的运动。
在该实施例中，支撑运动控制器模型和摆动运动控制器模型实质为同一数学模型，且设计过程类似。因此，在其他实施例中，步骤S2和步骤S3的顺序可以进行互换，或者统一为一个步骤。
本发明实施例所提供的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制方法将外骨骼机器人辅助人类行走过程分为了两个阶段：一种是支撑阶段，一种是摆动阶段。支撑阶段与摆动阶段采用同一个运动控制器，但是运动控制器的控制参数有所不同。
在支撑阶段(包含单腿支撑与双腿支撑)，以图3中H-K-A为参考姿态，设计阻抗控制器，为外骨骼机器人当前姿态与参考姿态之间加入一个虚拟的弹簧阻尼，使外骨骼机器人腿部偏离这个姿态时，控制器能够为外骨骼机器人提供回到参考姿态的作用力，将该作用力和人与外骨骼机器人之间的交互力进行差分，共同完成对外骨骼机器人腿部的运动调节。
在摆动阶段，以图3中H-K’-A’为参考姿态，设计阻抗控制器，为外骨骼机器人当前姿态与参考姿态之间加入一个虚拟的弹簧阻尼，使外骨骼机器人腿部偏离这个姿态时，控制器能够为外骨骼机器人提供回到参考姿态的作用力，将该作用力和人与外骨骼机器人之间的交互力进行差分，共同完成对外骨骼机器人腿部的运动调节。
本发明实施例所提供的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制方法相对现有的控制方法，实现起来较为简单，不必对外骨骼机器人建立复杂的动力学模型，不用提前设定好外骨骼的活动轨迹，仅根据人与外骨骼当前的交互状态对外骨骼机器人进行控制。
进一步地，本发明实施例所提供的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制方法相较于现有的控制方法，所需要调节的参数少，简单直观且容易理解。在实际操作中，本发明实施例所提供的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制方法只需要调节三个参数：Ar为交互运动控制过程中踝关节的参考姿态位置，这个参数的作用是在踝关节当前位置与参考姿态位置Ar处设立了一个虚拟的弹簧阻尼，使踝关节偏离这个位置越远所受到的辅助力越大；K1为刚度系数，它调节的是踝关节当前位置与参考位置之间的偏差和交互力矩对外骨骼期望速度影响的比例；K2是阻尼系数，它调节的是各相关参数对外骨骼期望运动速度的作用效果，它越大各相关参数的影响越小。
进一步地，本发明实施例所提供的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互运动控制方法通过将K1设为零，可以实现随动的控制效果。将K1设为一个确定的值，可以实现相对于参考点的辅助。通过调节控制参数，同一个控制器可以达到多种控制效果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
建立外骨骼机器人的腿部运动学模型，所述腿部包括第一腿和第二腿；
在所述腿部运动学模型的基础上，设计支撑阶段的外骨骼机器人的支撑运动控制器模型；
在所述腿部运动学模型的基础上，设计摆动阶段的外骨骼机器人的摆动运动控制器模型；
根据所述第一腿和第二腿所处阶段的不同，分别采用支撑运动控制器模型或者摆动运动控制器模型相应地控制第一腿的运动或第二腿的运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述第一腿的腿部运动学模型和第二腿的腿部运动学模型相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述第一腿处于支撑阶段时，采用支撑运动控制器模型控制第一腿的运动；所述第二腿处于摆动阶段时，采用摆动运动控制器模型控制第二腿的运动。
4.根据权利要求1所述的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述第一腿处于摆动阶段时，采用摆动运动控制器模型控制第一腿的运动；所述第二腿处于支撑阶段时，采用支撑运动控制器模型控制第二腿的运动。
5.根据权利要求1所述的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述腿部运动学模型为外骨骼机器人的踝关节末端速度与各关节角速度的关系，所述关系表达式如下式所示：
其中，Ay＝Lusin(θ1)+Ldsin(θ1-θ2)，Az＝-Lucos(θ1)-Ldcos(θ1-θ2)，Ay表示踝关节在Y轴上的坐标，Az表示踝关节在Z轴上的坐标，Lu为外骨骼机器人的大腿长度，Ld为外骨骼机器人的小腿长度，θ1为外骨骼机器人的髋关节向前抬腿的旋转角度，θ2为外骨骼机器人的膝关节弯曲的角度。
6.根据权利要求5所述的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，根据所述腿部运动学模型可推导获得外骨骼机器人的腿部的雅克比矩阵，所述雅克比矩阵的表达式如下所示：
其中，J为雅克比矩阵，Lu为外骨骼机器人的大腿长度，Ld为外骨骼机器人的小腿长度，θ1为外骨骼机器人的髋关节向前抬腿的旋转角度，θ2为外骨骼机器人的膝关节弯曲的角度。
7.根据权利要求1所述的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述支撑运动控制器模型为在支撑阶段中外骨骼机器人的腿部关节的支撑期望角速度，所述支撑期望角速度的表达式如下式所示：
其中，θZ为外骨骼机器人的腿部关节的支撑期望角速度；τh为外骨骼机器人的髋关节和膝关节所承受的人与外骨骼机器人之间的交互力矩；J为雅可比矩阵，由腿部运动学模型推导获得；A0为外骨骼机器人的踝关节在支撑阶段时的参考坐标；A为外骨骼机器人的踝关节当前期望的速度；K1是用于调节踝关节偏离参考姿态时所受回复力大小的刚性系数；K2是用于调节踝关节当前期望速度大小的弹性系数。
8.根据权利要求1所述的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述摆动运动控制器模型为在摆动阶段中外骨骼机器人的腿部关节的摆动期望角速度，所述摆动期望角速度的表达式如下式所示：
其中，θB为外骨骼机器人的腿部关节的摆动期望角速度；τh为外骨骼机器人的髋关节和膝关节所承受的人与外骨骼机器人之间的交互力矩；J为雅可比矩阵，由腿部运动学模型推导获得；Ar为外骨骼机器人的踝关节在摆动阶段时的参考坐标；A为外骨骼机器人的踝关节当前期望的速度；K1是用于调节踝关节偏离参考姿态时所受回复力大小的刚性系数；K2是用于调节踝关节当前期望速度大小的弹性系数。
9.根据权利要求7或8所述的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述τh可通过安装在大腿和小腿处的压力传感器取得的数值计算而获得。
10.根据权利要求1所述的一种基于关节应力的下肢外骨骼人机交互控制方法，其特征在于，所述外骨骼机器人包括：
腿部，用于辅助人腿行走；
电机，与所述腿部连接，用于驱动所述腿部运动；
穿戴部，与所述腿部和所述电机连接，用于将所述外骨骼机器人固定至人体上；
足部，与所述腿部连接，用于支撑人脚；
压力传感器，用于采集所述外骨骼机器人在行走过程中的压力信息。
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