具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统及方法，整体结构采用软壳与穿戴者固定，通过大功率舵机驱动绕线盘旋转，带动缠绕在绕线盘上的鲍登线收与放，实现对髋关节、踝关节的助力与卸荷；柔性外骨骼控制模块，通过IMU采集运动信息并进行运动意图识别，根据识别结果生成PWM信号，驱动拉线舵机转动，同时通过拉压传感器采集鲍登线末端拉力，拉力结果进行反馈生成PWM信号，驱动拉线舵机转动；多元生理能耗分析模块采集生理信号，并对信号进行滤波、特征提取和加权融合，并在上位机内进行能耗计算，能耗计算结果通过TCP协议传输至微处理器，能耗结果进行反馈生成PWM信号，驱动拉线舵机转动；同时基于labview能耗监测显示界面进行实时显示。

【技术实现步骤摘要】
具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统及方法
本专利技术涉及生物医学工程和机械电子工程的交叉
，具体涉及一种具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统及方法。
技术介绍
人机协作是现代工业的发展趋势，随着机器人技术和生物医学工程技术的发展，外骨骼机器人与人体的交互协作表现得更加融洽，最大特征表现为外骨骼的发展越来越注重生物层面的人机交互，利用运动意图识别结果控制外骨骼运动，以实现在高效助力的同时保证人体穿戴的舒适性和安全性。目前，国内外已经存在一些下肢外骨骼设备，多数都是采用硬式外壳，通过机械化的结构给穿戴者提供一定的助力。但刚性外骨骼会增加肢体末端运动惯量，从而造成穿戴者较大的能量消耗，此外刚性连接的关节处存在较大摩擦，关节运动不自然，不能最大程度利用步态过程中的能量，步态能量利用效率较低。外骨骼系统常用于辅助康复训练，能极大节约成本，且能胜任长时间的重复性助力工作，穿戴者负责环境感知和行为决策，给外骨骼系统提供运动指令，外骨骼系统需要通过传感器推断人的运动意图，从而跟随人体运动，让人机交互系统能更好的协调工作，除此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统，其特征在于，包括柔性外骨骼、运动信号采集单元、生理信号采集单元，所述柔性外骨骼包括拉线机构、背带、鲍登线机构、穿戴软壳、工作靴，所述拉线机构包括拉线舵机、框架、绕线盘、外侧碳板，外侧碳板固定在框架的相对侧面上，在框架上固定有两个拉线舵机，每个拉线舵机的输出轴与绕线盘的中心轴相连，绕线盘通过卧式轴承座固定在外侧碳板上，鲍登线机构一端缠绕在绕线盘上，另一端连接在穿戴软壳相应部位，运动信号采集单元用于采集人体不同部位的加速度信号并根据加速度信号识别人体的运动意图，然后根据运动意图识别结果控制柔性外骨骼中拉线舵机的运动；生理信号采集单元用于采集人体的...

【技术特征摘要】
1.一种具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统，其特征在于，包括柔性外骨骼、运动信号采集单元、生理信号采集单元，所述柔性外骨骼包括拉线机构、背带、鲍登线机构、穿戴软壳、工作靴，所述拉线机构包括拉线舵机、框架、绕线盘、外侧碳板，外侧碳板固定在框架的相对侧面上，在框架上固定有两个拉线舵机，每个拉线舵机的输出轴与绕线盘的中心轴相连，绕线盘通过卧式轴承座固定在外侧碳板上，鲍登线机构一端缠绕在绕线盘上，另一端连接在穿戴软壳相应部位，运动信号采集单元用于采集人体不同部位的加速度信号并根据加速度信号识别人体的运动意图，然后根据运动意图识别结果控制柔性外骨骼中拉线舵机的运动；生理信号采集单元用于采集人体的肌电信号、脉搏信号和呼吸信号，并将采集到的信号进行多模态信息融合输出一段时间内的能耗值用于控制柔性外骨骼中拉线舵机的运动；通过拉线舵机驱动鲍登线机构分别带动穿戴软壳、工作靴运动。


2.根据权利要求1所述的一种具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统，其特征在于，穿戴软壳包括腰部软壳、大腿软壳、小腿软壳，鲍登线机构包括两个分别为鲍登线机构A和鲍登线机构B，所述运动信号采集单元包括惯性姿态传感器-I、惯性姿态传感器-II、惯性姿态传感器-III、拉压传感器、放大器、AD转换模块、微处理器；惯性姿态传感器-I安装在穿戴者胸前，惯性姿态传感器-II安装在右侧大腿的外侧，惯性姿态传感器-III安装在右侧小腿的外侧，拉压传感器安装在工作靴上，鲍登线机构A一端的内线缠绕在绕线盘上，由外线包裹的内线依次穿过腰部软壳、大腿软壳和小腿软壳安装在拉压传感器一端，拉压传感器另一端固定在工作靴上；鲍登线机构B一端的内线缠绕在绕线盘上，由外线包裹的内线穿过腰部软壳固定在大腿软壳上，惯性姿态传感器-I、惯性姿态传感器-II、惯性姿态传感器-III分别通过RS-485串口通信方式与微处理相连，拉压传感器与放大器电连接，放大器与AD转换模块电连接，AD转换模块与微处理通过USB串口连接；
惯性姿态传感器-I用于采集穿戴者胸前处的加速度信号，并将加速度信号传输至微处理器；
惯性姿态传感器-II用于采集穿戴者右侧大腿外侧的加速度信号，并将加速度信号传输至微处理器；
惯性姿态传感器-III用于采集穿戴者右侧小腿外侧的加速度信号，并将加速度信号传输至微处理器；
拉压传感器用于采集鲍登线机构A内线末端的拉力信号，拉力信号通过放大器放大之后传输给AD转换模块；
AD转换模块用于将采集到的放大后的拉力信号由模拟量转换为数字量信号，并将数字量信号传输给微处理器。


3.根据权利要求1所述的一种具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统，其特征在于，所述生理信号采集单元包括肌电传感器、电贴片、呼吸传感器、塑料软管、脉搏传感器、无线信号传输模块；肌电传感器、呼吸传感器均佩戴在穿戴者身上，电贴片贴在小腿肌肉处，电贴片通过导联线与肌电传感器电连接，呼吸传感器的采集端插入到塑料软管的一端内，塑料软管围绕穿戴者胸腔一周，塑料软管的另一端固定在呼吸传感器上，脉搏传感器佩戴在穿戴者手腕处，肌电传感器、呼吸传感器、脉搏传感器均通过无线信号传输模块传输至上位机；
肌电传感器用于采集小腿处的肌电信号，并通过无线信号传输模块传输至上位机；
呼吸传感器用于采集人体的呼吸信号，并通过无线信号传输模块传输至上位机；
脉搏传感器用于采集人体的脉搏信号，并通过无线信号传输模块传输至上位机；
无线信号传输模块用于传输无线信号；
上位机实现将接收到的肌电信号、呼吸信号、脉搏信号进行滤波、特征提取、多模态信息融合，并计算出穿戴者在一段时间内的能耗值，上位机通过TCP/IP网络通信协议将计算得到的能耗值传输给微处理器，并通过能耗监测显示界面显示能耗值；
微处理器用于将接收到的加速度信号先进行中值滤波处理，然后基于人工神经网络模型构建分类器，根据采集到的不同部位的加速度信号利用分类器进行运动意图识别，得到运动意图识别结果；还用于将接收到的拉力信号的数字量信号首先进行中值滤波处理，然后提取实测拉力值，通过实测拉力值与预设拉力值进行比较得到拉力反馈结果；还用于将穿戴柔性外骨骼时一段时间内的能耗值与未穿戴柔性外骨骼时相同时间内的能耗值进行比较，得到能耗反馈结果；并根据运动意图识别结果、拉力反馈结果和能耗反馈结果生成PWM信号用于控制拉线舵机输出轴的转动状态。


4.根据权利要求3所述的一种具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统，其特征在于，所述微处理器采用RaspberryPi；所述上位机为计算机；所述能耗监测显示界面采用labview在计算机上编程实现；所述惯性姿态传感器-I、惯性姿态传感器-II、惯性姿态传感器-III之间通过级联方式进行连接，采用Modbus协议配合RS-485物理串口进行数据传输。


5.一种采用权利要求1～4任意一项所述的具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统的柔性外骨骼控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：采集穿戴者穿戴柔性外骨骼时一段时间T内的呼吸信号、脉搏信号以及小腿处的肌电信号，同时采集穿戴者胸前、右侧大腿外侧、右侧小腿外侧的加速度信号，采集鲍登线机构A内线的拉力信号；
步骤2：将采集到的信号分别进行降噪处理，其中加速度信号通过中值滤波器进行降噪处理；肌电信号通过四阶巴斯特沃带通滤波器进行降噪处理；呼吸信号首先经过四十阶FIR低通滤波器，再通过平滑滤波处理进行降噪；脉搏信号选择Sym5小波作为基函数，使用基于小波分解和重构的方法进行降噪；拉力信号通过中值滤波器进行降噪处理；
步骤3：将降噪处理后的肌电信号、呼吸信号、脉搏信号进行特征提取及多模态信息融合得到穿戴者在一段时间内的能耗值E；
步骤4：事先采集穿戴者未穿戴柔性外骨骼时一段时间内的呼吸信号、脉搏信号以及小腿处的肌电信号，并进行多模态信息融合得到未穿戴时在一段时间内的能耗值E'；
步骤5：通过将穿戴柔性外骨骼时一段时间内的能耗值E与未穿戴柔性外骨骼时相同时间内的能耗值E'进行比较，输出能耗反馈结果；
步骤6：提取降噪后的拉力信号的实测拉力值，通过实测拉力值与预设拉力值进行比较，输出拉力信号反馈结果；
步骤7：基于人工神经网络构建分类器，根据降噪后的加速度信号利用分类器进行运动意图的识别，输出运动意...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏，金博丕，李坦，吴志伟，张亮，郭翔宇，王震，余亚辉，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21