本公開涉及智能可穿戴，尤其涉及一種外骨骼裝置、控制方法、電子設備及系統。

背景技術：

1、外骨骼裝置的研發由來已久。19世紀末，俄羅斯率先提出無源外骨骼概念，開啟了這一領域的探索征程。隨后，美國于20世紀中期提出有源概念，并在1965年成功推出首臺有源外骨骼樣機，當時主要應用于工業搬運場景，旨在幫助工人輕松搬運重物，提升工作效率。發展至今，外骨骼裝置的應用領域持續拓寬。

2、在醫療康復層面，隨著全球人口老齡化趨勢加劇，老年人數量大幅增長，同時因疾病、意外等導致行動不便的患者群體也日益龐大，他們對行動輔助設備的需求愈發迫切。外骨骼裝置在此發揮著關鍵作用，它能輔助患者進行康復訓練，幫助使用者逐步恢復運動功能，增強肌肉力量與身體協調性，顯著提升老年人與行動不便者的生活自理能力。

3、然而，外骨骼裝置在實際應用中面臨一個棘手難題。不同使用者的身體尺寸，如身高、肢體長度、關節間距等，存在極大差異。傳統的外骨骼機器人大多針對特定體型設計，且采用固定連桿長度和固定運動學模型。這就導致其在面對多種多樣的人體體型時，適配性極差，難以緊密貼合不同人體進行精準助力或高效康復等動作，嚴重限制了外骨骼裝置的廣泛應用與推廣。

技術實現思路

1、本公開實施例提供了一種外骨骼裝置、控制方法、電子設備及系統，用以解決現有的技術方案存在的相關問題。

2、基于上述問題，第一方面，提供一種外骨骼裝置，包括：肩關節整體1、近端肢體伸縮機構2、肘關節整體3、測距機構4、遠端肢體伸縮機構5和通信模塊；

3、所述近端肢體伸縮機構2的一端與所述肩關節整體1相連，另一端與所述肘關節整體3相連；

4、所述肘關節整體3的另一端與所述遠端肢體伸縮機構5相連；

5、所述測距機構4安裝在所述近端肢體伸縮機構2、肘關節整體3和遠端肢體伸縮機構5上；

6、所述通信模塊安裝在所述外骨骼裝置上，與所述測距機構4相連。

7、結合第一方面，在一種可能的實施方式中，所述近端肢體伸縮機構2包括：第一連接體201、第二連接體202、第三連接體203、第一旋轉齒輪204、第二旋轉齒輪205、第一l型齒條206、第三旋轉齒輪207、第一固定插銷208和第二固定插銷209；

8、所述第一連接體201與所述肩關節整體1中的第一驅動電機104相連；

9、所述第二連接體202的上部與所述第一連接體201上部的第一導軌嵌合，下部與所述第一連接體201下部嵌合；

10、所述第一旋轉齒輪204與所述肩關節整體1中的第一傳動皮帶105相連，并在所述第一傳動皮帶105的帶動下進行轉動；所述第一旋轉齒輪204通過所述第一連接體201上設置的導軌槽與所述第二連接體202相連；

11、所述第一旋轉齒輪204的上方與所述第二連接體202上的齒條嚙合，下方與所述第一l型齒條206嚙合；

12、所述第一旋轉齒輪204在所述第一傳動皮帶105的帶動下進行轉動，配合所述第二連接體202上的齒條和使所述第一l型齒條206使所述第二連接體202產生縱向運動，所述第二連接體202從所述第一連接體201脫出，實現一級伸縮；

13、所述第一l型齒條206固定于所述第一連接體201的下部，所述第一l型齒條206的縱向與所述第一旋轉齒輪204嚙合，橫向與所述第二旋轉齒輪205嚙合；所述第二旋轉齒輪205通過第一固定插銷208經第二連接體202上的孔洞實現固定，使所述第二連接體202的縱向運動被限制；

14、所述第三連接體203上部與所述第一連接體201的第二導軌嵌合，下部與所述第二連接體202下部嵌合；

15、所述第三連接體203下部為雙向齒條，兩側分別與所述第二旋轉齒輪205和第三旋轉齒輪207嚙合，所述第二旋轉齒輪205和所述第三旋轉齒輪207轉動，使所述第三連接體203脫出實現二級伸縮；

16、所述第三旋轉齒輪207通過第二固定插銷209經第一連接體201上的孔洞實現固定，使所述第三連接體203的縱向運動被限制。

17、結合第一方面，在一種可能的實施方式中，所述遠端肢體伸縮機構5，包括：第四連接體501、第五連接體502、第六連接體503、第四旋轉齒輪504、第五旋轉齒輪505、第二l型齒條506、第六旋轉齒輪507、第三固定插銷508和第四固定插銷509；

18、所述第四連接體501與所述肘關節整體3中的第二驅動電機303相連；

19、所述第五連接體502的上部與所述第四連接體501上部的第三導軌嵌合，下部與所述第四連接體501下部嵌合；

20、所述第四旋轉齒輪504與所述肘關節整體3中的第二傳動皮帶304相連，并在所述第二傳動皮帶304的帶動下進行轉動；所述第四旋轉齒輪504通過所述第四連接體501上設置的導軌槽與所述第五連接體502相連；

21、所述第四旋轉齒輪504的上方與所述第五連接體502上的齒條嚙合，下方與所述第二l型齒條506嚙合；

22、所述第四旋轉齒輪504在所述第二傳動皮帶304的帶動下進行轉動，配合所述第五連接體502上的齒條和使所述第二l型齒條506使所述第五連接體502產生縱向運動，所述第五連接體502從所述第四連接體501脫出，實現三級伸縮；

23、所述第二l型齒條506固定于所述第四連接體501的下部，所述第二l型齒條506的縱向與所述第四旋轉齒輪504嚙合，橫向與所述第五旋轉齒輪505嚙合；所述第五旋轉齒輪505通過第三固定插銷508經第五連接體502上的孔洞實現固定，使所述第五連接體502的縱向運動被限制；

24、所述第六連接體503上部與所述第四連接體501的導軌嵌合，下部與所述第五連接體502下部嵌合；

25、所述第六連接體503下部為雙向齒條，兩側分別與所述第五旋轉齒輪505和第六旋轉齒輪507嚙合，所述第五旋轉齒輪505和所述第六旋轉齒輪507轉動，使所述第六連接體503脫出實現四級伸縮；

26、所述第六旋轉齒輪507通過第四固定插銷509經第四連接體501上的孔洞實現固定，使所述第六連接體503的縱向運動被限制。

27、結合第一方面，在一種可能的實施方式中，所述測距機構4，包括：近端測距機構和遠端測距機構；所述近端測距機構包括：第一測距模塊401和第一反光板402；所述遠端測距機構包括：第二測距模塊403和第二反光板404；

28、所述近端測距機構的第一測距模塊401安裝在所述近端肢體伸縮機構2的第一連接體201上，用于檢測所述近端肢體伸縮機構2對應的第一連桿長度；

29、所述近端測距機構的第一反光板402安裝在所述近端肢體伸縮機構2的第三連接體203和所述肘關節整體3的肘關節頂部301之間，用于反射所述第一測距模塊401射出的光線；

30、所述遠端測距機構的第二測距模塊403安裝在所述遠端肢體伸縮機構5的第四連接體501上，用于檢測所述遠端肢體伸縮機構5對應的第二連桿長度；

31、所述遠端測距機構的第二反光板404安裝在所述遠端肢體伸縮機構5的第六連接體503的遠端，用于反射所述第二測距模塊403射出的光線。

32、結合第一方面，在一種可能的實施方式中，所述肩關節整體1，包括：肩關節頂部101、肩關節側部上體102、肩關節側部下體103、第一驅動電機104和第一傳動皮帶105；

33、所述肩關節側部上體102的一端與所述肩關節頂部101相連，另一端與所述肩關節側部下體103相連；

34、所述第一驅動電機104安裝在所述肩關節側部下體103上，帶動所述第一傳動皮帶105進行收卷或釋放。

35、結合第一方面，在一種可能的實施方式中，所述肘關節整體3，包括：肘關節頂部301、肘關節底部302、第二驅動電機303和第二傳動皮帶304；

36、所述肘關節底部302與所述肘關節頂部301相連；

37、所述第二驅動電機303安裝在所述肘關節底部302上，帶動所述第二傳動皮帶304進行收卷或釋放。

38、第二方面，提供一種外骨骼控制方法，包括：

39、獲取外骨骼的連桿長度信息和末端執行器的意圖；

40、基于所述連桿長度信息更新預先生成的dh參數表和變換矩陣；

41、基于所述變換矩陣生成與所述連桿長度信息匹配的新的末端執行器的意圖和運動學逆解模型；

42、利用所述運動學逆解模型將所述新的末端執行器的意圖轉換為外骨骼各個關節的關節角度和關節角速度；

43、基于所述關節角度和關節角速度生成控制指令。

44、結合第二方面，在一種可能的實施方式中，所述末端執行器的意圖包括：末端執行器的速度、位置和姿態信息；

45、所述利用所述運動學逆解模型將所述新的末端執行器的意圖轉換為外骨骼各個關節的關節角度和關節角速度，包括：

46、根據所述新的末端執行器的位置和姿態信息，利用右逆運動學方程計算得到各個關節的關節角度；

47、通過所述運動學逆解模型得到各個關節的關節角速度和末端執行器的速度之間的映射關系；

48、基于各個關節的關節角速度和末端執行器的速度之間的映射關系將所述末端執行器的速度轉換為各個關節的關節角速度。

49、第三方面，提供一種電子設備，執行如第一方面，或者結合第一方面的任一種可能的實施方式所述的一種外骨骼控制方法的步驟。

50、第四方面，提供一種外骨骼系統，包括，包括：如第一方面，或者結合第一方面的任一種可能的實施方式所述外骨骼裝置和如第三方面所述的電子設備；

51、所述外骨骼裝置通過通信模塊與所述電子設備通信連接，用于向所述電子設備發送連桿長度信息；

52、所述電子設備，用于獲取所述連桿長度信息和末端執行器的意圖，生成控制指令，并下發至所述外骨骼裝置；

53、所述外骨骼裝置，還用于通過所述通信模塊接收所述控制指令，并按照所述控制指令運行。

54、本公開實施例的有益效果包括：

55、本公開實施例提供了一種外骨骼裝置、控制方法、電子設備及系統，其中，公開的外骨骼裝置是一種醫療輔助設備，廣泛應用于醫學康復領域。其核心功能是通過提供額外的支撐和穩定，提升人體在復雜動作中的安全性和舒適度。

56、首先，肩關節整體和肘關節整體作為裝置的基礎結構，固定于人體或支撐平臺上，用于保障關節的正?；顒臃秶＿@種設計為后續的動作提供了穩定的運動平臺。其次，近端肢體伸縮機構與遠端肢體伸縮機構通過精準連接，能夠靈活調整身體姿態。這些伸縮機構在不同動作階段為整個裝置提供合適的長度以及必要的支撐和靈活性，使人體動作更加靈活自然，從而提高運動效率。測距機構安裝于關鍵位置如肩關節、肘關節及遠端肢體伸縮機構，實時監測人體的姿態變化。這種精確的監測技術能夠對近端肢體和遠端肢體的連桿長度進行實時監測，并對數據進行更新。通信模塊安裝在外骨骼裝置上，負責接收和傳輸實時數據，實現該外骨骼裝置的監測和控制。

57、綜上所述，該外骨骼裝置通過肩關節和肘關節的整體結構提供穩定基礎，近端和遠端肢體伸縮機構增加動作靈活性，測距機構確保運動安全，而通信模塊則提升了裝置的智能化水平。這些功能協同作用使外骨骼裝置中的連桿長度可調，進而匹配不同體型的用戶，提升人體在復雜運動中的穩定性、舒適度和安全性。