基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法技术

本发明专利技术属于医疗器械领域，并公开了基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法。该方法包括：(a)对于待控制下肢外骨骼，实时检测下肢外骨骼髋关节和膝关节各自的关节角度和关节角速度，将检测结果与预定的摆动相切换条件进行比较，以第一个满足摆动相切换条件的状态作为摆动相的起始点；(b)构建在摆动相下髋关节和膝关节角度之间的理想协调运动曲线；(c)实时监测进入摆动相后待控制下肢外骨骼每个时刻的髋关节和膝关节的角度θ，将该θ与理想协调运动曲线比较，不满足可接受条件时，下肢外骨骼对人机系统施加力矩，以此实现待控制下肢外骨骼协调步态的控制。通过本发明专利技术，实现助行外骨骼的步态协调控制，同时保持使用者的运动自主性。

Exoskeleton coordinated gait control method based on human gait coordination characteristics

【技术实现步骤摘要】
基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法
本专利技术属于医疗器械领域，更具体地，涉及基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法。
技术介绍
由于人口的老龄化及病理性(脑中风、脊髓损伤等)比例增加，国民下肢运动功能逐渐衰退或损伤已经成为一个全社会面临的民生问题，下肢助行外骨骼在助老助残行走领域展现了独有的潜力，备受人们的关注。控制策略在下肢助行外骨骼实际应用中发挥至关重要的作用，对于完全截瘫患者，常用的控制方法为基于预设轨迹式的控制策略。该方法已经被证明是有效的，并且多用于商业化外骨骼控制中，然而，对于非完全截瘫患者，如中风偏瘫、不完全脊髓损伤等患者，他们通常能够在不使用外骨骼或其他辅助设备的情况下行走，基于预设轨迹的控制方法可以使得外骨骼辅助人体实现预设的运动，然而，其没有考虑人体自身的运动能力。因此基于轨迹式的控制策略并不适用于非完全截瘫患者。对于非完全截瘫患者，尽管他们能够完成日常的行走任务，但他们的步态偏离于健康人体。因而，下肢助行外骨骼应该改善他们步态缺陷，实现外骨骼使用者更为自然的步态运动，研究表明人体通过特定的协调机制控制肢体间的时空组织关系以实现日常的步态，肢体间的协调运动往往被视作实现步态运动高效、稳定的必要途径。因此，对于非完全截瘫患者，外骨骼的控制策略应满足以下要求：1)提供运动辅助；2)能够实现关节间的协调运动；3)一定程度上允许患者调整自身运动以保持平衡。对于非完全截瘫患者，现今的下肢外骨骼控制策略有：基于振荡器的控制方法、肌电控制方法以及基于路径的控制方法等。然而，上述控制方法仍具有一定的缺陷，基于振荡器的控制方法虽然可以保持人体的运动自主性，但由于没有考虑人体的协调运动关系，因而并不以实现肢体的协调运动为控制目标。肌电控制方法仅适用于神经肌肉无损伤的个体，且过于依赖外骨骼内置的肌电测量传感器。基于路径的控制方法一般不允许受试者自主地控制步长变化，因而存在绊倒的风险。综上所述，现今的控制策略无法同时满足人体运动自主性以及关节间运动协调性。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，通过在摆动相下构建理想的椭圆协调运动曲线，使得使用者在摆动相能沿着期望的理想协调曲线运动，同时保持使用者的运动自主性，进而实现下肢外骨骼的自然辅助,由此解决下肢运动协调性差的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，该方法包括下列步骤：(a)对于待控制下肢外骨骼，实时检测该控制下肢外骨骼的髋关节和膝关节各自的关节角度和关节角速度，将该关节角度和关节角速度与摆动相切换条件进行比较，以第一个满足摆动相切换条件的状态作为起始点，所述待控制下肢外骨骼以该起始点为起点进入摆动相；(b)基于所述起始点和多个预设的髋关节和膝关节角度协调点，构建在摆动相下髋关节和膝关节角度之间的理想协调运动曲线；(c)实时监测进入摆动相后所述待控制下肢外骨骼每个时刻的髋关节和膝关节的角度θ，将该θ与基于所述理想协调运动曲线计算出的髋关节和膝关节的理想协调角度θc相比较，当二者之间的差值大于预设可接受阈值时，对人机系统施加力矩，对所述待控制下肢外骨骼的运动轨迹进行实时调整，以此实现所述待控制下肢外骨骼协调步态的控制。进一步优选地，在步骤(a)中，所述摆动相切换条件为：同时满足髋关节关节角度小于预设髋关节角度阈值，膝关节角度大于预设膝关节角度阈值，以及髋关节的关节角速度大于预设髋关节角速度阈值，即：θh＜θh_thr，θk＞θk_thr，其中，θh是髋关节关节角度，θh_thr是预设髋关节角度阈值，θk是膝关节关节角度，θk_thr是预设膝关节角度阈值，是髋关节的关节角速度，ωk_thr是预设髋关节角速度阈值。进一步优选地，在平地行走步态运动中，所述θh_thr优选为5°，所述θk_thr优选为30°，所述ωk_thr优选为-50°s-1。进一步优选地，在步骤(b)中，所述利用所述起始点和预设的髋关节和膝关节角度协调点，构建理想协调运动曲线优选按照下列步骤：从人体步态运动学数据库中，获取摆动相下不同时刻对应的髋关节和膝关节的实时关节角度，然后将所述不同时刻的数据与所述起始点处的数据拟合为一条曲线，该曲线即为所示理想协调运动曲线，其中，所述起始点处的数据包括起始点处对应的髋关节和膝关节的关节角度。进一步优选地，在步骤(b)中，所述理想协调运动曲线f(x,y)优选采用椭圆曲线，如下：f(x,y)＝a6x2+a5y2+a4xy+a3x+a2y+a1＝0其中，a1，a2，a3，a4，a5，a6分别是可唯一确定椭圆的参数，x,y分别为矢状面内髋、膝关节角度值。进一步优选地，在步骤(c)中，所述理想协调角度θc优选为所述理想协调运动曲线上与所述角度θ欧式距离最短的点。进一步优选地，在步骤(c)中，所述对人机系统施加力矩，该力矩优选采用PD控制律输出。进一步优选地，在步骤(c)中，所述施加的力矩大小按照下列方式计算：其中，e＝θ-θc，kp是控制器角度误差增益系数,kd是控制器速度误差项系数，δ是设定的可接受协调运动偏差。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术通过髋和膝关节角度及角速度构建相位切换状态机，由于下肢助行外骨骼自身包含运动学传感器，因此使用该相位检测方法可以有效地节省成本，克服传统分布式压力鞋垫价格昂贵的缺陷，同时能准确识别摆动相和支撑相；2、本专利技术基于椭圆数学表达式，在摆动相描述人体下肢髋膝关节间的协调运动，一方面，椭圆数学表达式可以准确表达人体下肢髋膝关节在摆动相的约束关系；另一方面，椭圆数学表达式具有与时间无关的特性，与基于预设轨迹的控制方法相比，它的目标不是产生驱动力矩以辅助人体完成步态任务，而是在人体提供生物力矩的前提下，纠正使用者的缺陷步态，由于椭圆理想协调曲线的协调性，使得通过实时调整的下肢外骨骼的运动也具备协调性，改善下肢外骨骼的运动协调性，进而保持使用者的运动自主性；3、本专利技术通过采集相位切换时刻的起始点实时调整髋膝关节协调运动关系，因而，在相位切换时刻人机当前运动状态与期望的运动状态初始误差为零，这不仅可以消除状态切换时的阶跃变化，也可以保持使用者一定的运动自主性，即使得其步态可调；4、本专利技术基于误差反馈，设定了PD控制律以及允许的协调运动偏差，通过实时检测并计算当前运动状态与期望运动状态的误差，当误差超过了允许的协调运动偏差时，协调控制器才开始工作，因而，本专利技术对髋膝关节不是精准的位置控制，保留了下肢运动的时变特性。附图说明图1是按照本专利技术的优选实施例所构建的基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法的工作流程图；图2是按照本专利技术的优选实施例所构建的双状态有限状态机示意图；图3是按照本专利技术的优选实施例所构建的实时调整协调运动曲线的示意图；图4是按照本专利技术的优选实施例所构建的协调控制器力矩修正示意图；图5(a)是按照本专利技术的优选实施例未采用本专利技术的控制方法获得的下肢外骨骼的运动曲线图；图5(b)是按照本专利技术的优选实施例采用本专利技术的控制方法获得的下肢外骨骼的运动曲线图；图6(a)是按照本专利技术的优选实施例所构建的未采用本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)对于待控制下肢外骨骼，实时检测该下肢外骨骼的髋关节和膝关节各自的关节角度和关节角速度，将该关节角度和关节角速度与预设的摆动相切换条件进行比较，以第一个满足摆动相切换条件的状态作为起始点，所述待控制下肢外骨骼以该起始点为起点进入摆动相；(b)基于所述起始点和多个预设的髋关节和膝关节角度协调点，构建在摆动相下髋关节和膝关节角度之间的理想协调运动曲线；(c)实时监测进入摆动相后所述待控制下肢外骨骼每个时刻的髋关节和膝关节的角度θ，将该θ与基于所述理想协调运动曲线计算出的髋关节和膝关节的理想协调角度θc相比较，当二者之间的差值大于预设可接受阈值时，对人机系统施加力矩，对所述待控制下肢外骨骼的运动轨迹进行实时调整，以此实现所述待控制下肢外骨骼协调步态的控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)对于待控制下肢外骨骼，实时检测该下肢外骨骼的髋关节和膝关节各自的关节角度和关节角速度，将该关节角度和关节角速度与预设的摆动相切换条件进行比较，以第一个满足摆动相切换条件的状态作为起始点，所述待控制下肢外骨骼以该起始点为起点进入摆动相；(b)基于所述起始点和多个预设的髋关节和膝关节角度协调点，构建在摆动相下髋关节和膝关节角度之间的理想协调运动曲线；(c)实时监测进入摆动相后所述待控制下肢外骨骼每个时刻的髋关节和膝关节的角度θ，将该θ与基于所述理想协调运动曲线计算出的髋关节和膝关节的理想协调角度θc相比较，当二者之间的差值大于预设可接受阈值时，对人机系统施加力矩，对所述待控制下肢外骨骼的运动轨迹进行实时调整，以此实现所述待控制下肢外骨骼协调步态的控制。2.如权利要求1所述的一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述摆动相切换条件为：同时满足髋关节关节角度小于预设髋关节角度阈值，膝关节角度大于预设膝关节角度阈值，以及髋关节的关节角速度大于预设髋关节角速度阈值，即：θh＜θh_thr，θk＞θk_thr，其中，θh是髋关节关节角度，θh_thr是预设髋关节角度阈值，θk是膝关节关节角度，θk_thr是预设膝关节角度阈值，是髋关节的关节角速度，ωk_thr是预设髋关节角速度阈值。3.如权利要求2所述的一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，其特征在于，在平地行走步态运动中,所述θh_thr优选为5°，所述θk_thr优选为30°...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琴，杜进，谢毅，熊蔡华，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42