本发明专利技术涉及一种基于外骨骼的穿戴式走步健身系统及控制方法与存储介质，属于穿戴式机器人的具体应用领域。该系统穿戴于走步健身人员身上，具体包括控制单元及自上而下依次连接的腰部穿戴单元、髋关节单元与大腿杆单元；髋关节单元包括用于连接大腿杆与腰部穿戴单元的关节电机，及用于获取大腿杆的摆动角速度与摆动角度的监测传感器；关节驱动电机用于驱使大腿杆相对腰部穿戴单元摆动；控制单元用于依据监测传感器所输出的监测数据，控制关节电机对大腿杆施加摆动阻力，且摆动阻力与大腿杆的摆幅及摆动角速度变化率呈正相关。该能在有限的散步步数内，提高运动能量的消耗，以在确保运动安全的前提下，提高运动健身效果，可广泛应用于锻炼辅助领域。应用于锻炼辅助领域。应用于锻炼辅助领域。
【技术实现步骤摘要】
基于外骨骼的穿戴式走步健身系统及控制方法与存储介质
[0001]本专利技术涉及穿戴式机器人的具体应用领域，具体地说，涉及一种基于外骨骼的穿戴式走步健身系统及其控制方法与可读计算机存储介质。
技术介绍
[0002]行走散步作为一种较为有效且健康的锻炼方式，越来越受到推崇，为此，人们通过开发出适于在室内进行走步健身的设备，以更好的满足锻炼人员的需求，例如在公开号为CN108066939A的专利文献公开了一种全能原地散步机。
[0003]此外，还通过对散步机的结构进行改进，以更好地保护锻炼人员，例如在公开号为CN108057211A的专利文献中公开了一种原地散步机支架，其通过设置支架而能有效的满足大病初愈的人和老年人的室内走步健身需求。也有产品通过对散步板的结构进行改进，以达到更好的减震，而保护膝盖、脚踝，而减少落地缓冲压力。
[0004]如前述等的现有技术，虽然能有效地满足走步健身人员的室内散步需求，且容易让锻炼人员轻松地走出大量的散步数量，通常都会轻松过万；但是走步太多容易对关节造成损伤，通常建议行走六千步至一万步为佳，但是走步的步数太少，又难以达到一些减肥者的需求，且对腿部肌肉的锻炼效果受到打折；此外，还存在散步姿势不正确等问题。
技术实现思路
[0005]本专利技术的主要目的是提供一种基于外骨骼的穿戴式走步健身系统的控制方法，能在有限的散步步数内，提高运动能量的消耗，以在确保运动安全的前提下，提高运动健身效果；
[0006]本专利技术的另一目的是提供一种存有用于实现上述控制方法的计算机程序的计算机可读存储介质；
[0007]本专利技术的再一目的是提供一种基于外骨骼的穿戴式走步健身系统，以使穿戴者能在有限的散步步数内，提高运动能量的消耗，以在确保运动安全的前提下，提高运动健身效果。
[0008]为了实现上述主要目的，本专利技术提供控制方法适用于穿戴在走步健身人员的身上的走步健身系统，且该走步健身系统基于穿戴式外骨骼，该外骨骼包括腰部穿戴单元、大腿杆单元及用于连接前述二者的髋关节单元；大腿杆单元包括大腿杆与大腿绑带；髋关节单元包括关节驱动电机，关节驱动电机用于驱使大腿杆相对腰部穿戴单元摆动；该控制方法具体包括以下步骤：
[0009]监测数据接收步骤，在走步健身人员的走步健身过程中，接收关节监测传感器所输出的监测数据，监测数据包括大腿杆在走步健身过程中的髋关节角度θ(t)与髋关节角速度ω(t)；
[0010]数据预处理步骤，按下式将基于时间序列的髋关节角度θ(t)与髋关节角速度ω(t)变换成基于时间序列的相角占比基于该相角占比在[0,2π)范围的周期变
化特性，对不同步幅不同步速的髋关节角度与髋关节角速度数据进行分割处理，以获取大腿杆在步态各个周期内的摆动相区间和支撑相区间；
[0011][0012]走步阻力施加步骤，在摆动相区间内，依据走步阻力与大腿杆的摆幅及摆动角速度变化率呈正相关的设定，按照对应时间序列构建走步阻力与相角占比的关系曲线；并按照关系曲线，控制关节驱动电机对处于摆动相区间内的大腿杆的摆动过程施加反向的走步阻力。
[0013]在上述技术方案中，通过设置而区分出摆动相与支撑相之后，再对其阻力进行设置，从而能够在有限的散步步数内，提高运动能量的消耗，以在确保运动安全的前提下，而提高运动健身效果。
[0014]具体的方案为走步阻力与大腿杆的摆幅及摆动角速度变化率的设定为：
[0015]τ
i
＝λ
·
k
·
τ
pre
[0016]其中，τ
i
为相角占比阶段的期望阻力矩，τ
pre
为预设最大人体走路阻力矩，λ是髋关节屈伸角速度修正系数，k是髋关节角度修正系数，分别为：
[0017][0018][0019]其中，ω
min
，ω
m
，ω分别为人体在走步健身过程中的一个周期内髋关节屈伸角速度设定最小值、设定平均值以及实际采集值；θ
min
，θ
m
，θ分别为人体在走步健身过程中的一个周期内髋关节角度设定最小值、设定平均值以及实际采集值。在该技术方案将走步阻力与大腿杆的摆幅及摆动角速度变化率设置为前式，能进一步地提高运动健身效果。
[0020]更具体的方案为不同相角占比时的预设阻力矩τ
pre
按照下表，以查表方式获取经归一化之后的值：
[0021][0022]其中，预设阻力矩τ
pre
为按照力矩/体重作归一化处理后的值，在经查表之后，再根据不同走步健身人员的体重计算实际预设阻力矩。该技术方案能有效地提高计算速度。
[0023]为了实现上述另一目的，本专利技术提供的计算机可读存储介质存储有用于对穿戴式走步健身系统进行控制的计算机程序，当计算机程序被执行时，能实现上述任一技术方案所描述的控制方法。
[0024]为了实现上述再一目的，本专利技术提供的穿戴式走步健身系统基于外骨骼，该外骨骼穿戴于走步健身人员身上，包供电电池、控制单元及自上而下依次连接的腰部穿戴单元、髋关节单元与大腿杆单元；大腿杆单元包括大腿杆与大腿绑带；髋关节单元包括用于连接大腿杆与腰部穿戴单元的关节驱动电机，及用于获取大腿杆在穿戴人员走步健身过程中的髋关节角度θ(t)与髋关节角速度ω(t)；关节驱动电机用于驱使大腿杆相对腰部穿戴单元摆动；控制单元用于依据监测传感器所输出的监测数据，控制关节驱动电机至少对处于摆动相区间内的的大腿杆的摆动过程施加反向的走步阻力，且摆动阻力与大腿杆的摆幅及摆动角速度变化率呈正相关。
[0025]具体的方案为前述控制单元用于按下式将基于时间序列的髋关节角度θ(t)与髋关节角速度ω(t)变换成基于时间序列的相角占比基于该相角占比在[0,2π)范围的周期变化特性，对不同步幅不同步速的髋关节角度与髋关节角速度数据进行分割处理，以获取大腿杆在步态各个周期内的摆动相区间和支撑相区间；
[0026][0027]在摆动相区间内，依据走步阻力与大腿杆的摆幅及摆动角速度变化率呈正相关的设定，按照对应时间序列构建走步阻力与相角占比的关系曲线；并按照关系曲线，控制关节驱动电机对处于摆动相区间内的大腿杆的摆动过程施加反向的走步阻力。
[0028]更具体的方案为走步阻力与大腿杆的摆幅及摆动角速度变化率的设定为：
[0029]τ
i
＝λ
·
k
·
τ
pre
[0030]其中，τ
i
为相角占比阶段的期望阻力矩，τ
pre
为预设最大人体走路阻力矩，λ是髋关节屈伸角速度修正系数，k是髋关节角度修正系数，分别为：
[0031][0032][0033]其中，ω
min
，ω
m
，ω分别为人体在走步健身过程中的一个周期内髋关节屈伸角速度设定最小值、设定平均值以及实际采集值；θ
min
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于外骨骼的穿戴式走步健身系统的控制方法，所述外骨骼穿戴于走步健身人员的身上，包括腰部穿戴单元、大腿杆单元及用于连接前述二者的髋关节单元；所述大腿杆单元包括大腿杆与大腿绑带；所述髋关节单元包括关节驱动电机，所述关节驱动电机用于驱使所述大腿杆相对所述腰部穿戴单元摆动；其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：监测数据接收步骤，在所述走步健身人员的走步健身过程中，接收关节监测传感器所输出的监测数据，所述监测数据包括大腿杆在走步健身过程中的髋关节角度θ(t)与髋关节角速度ω(t)；数据预处理步骤，按下式将基于时间序列的髋关节角度θ(t)与髋关节角速度ω(t)变换成基于时间序列的相角占比基于该相角占比在[0，2π)范围的周期变化特性，对不同步幅不同步速的髋关节角度与髋关节角速度数据进行分割处理，以获取所述大腿杆在步态各个周期内的摆动相区间和支撑相区间；走步阻力施加步骤，在所述摆动相区间内，依据走步阻力与所述大腿杆的摆幅及摆动角速度变化率呈正相关的设定，按照对应时间序列构建走步阻力与相角占比的关系曲线；并按照所述关系曲线，控制所述关节驱动电机对处于摆动相区间内的所述大腿杆的摆动过程施加反向的走步阻力。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述走步阻力与所述大腿杆的摆幅及摆动角速度变化率的设定为：τ
i
＝λ
·
k
·
τ
pre
其中，τ
i
为相角占比阶段的期望阻力矩，τ
pre
为预设最大人体走路阻力矩，λ是髋关节屈伸角速度修正系数，k是髋关节角度修正系数，分别为：屈伸角速度修正系数，k是髋关节角度修正系数，分别为：其中，ω
min
，ω
m
，ω分别为人体在走步健身过程中的一个周期内髋关节屈伸角速度设定
最小值、设定平均值以及实际采集值；θ
min
，θ
m
，θ分别为人体在走步健身过程中的一个周期内髋关节角度设定最小值、设定平均值以及实际采集值。3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，不同相角占比时的预设阻力矩τ
pre
按照下表，以查表方式获取经归一化之后的值：经归一化之后的值：其中，预设阻力矩τ
pre
为按照力矩/体重作归一化处理后的值，在经查表之后，再根据不同走步健身人员的体重计算实际预设阻力矩。4.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有用于对穿戴式走步健身系统进行控制的计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序被执行时，能实现权利要求1至3任一项权利要求所述的控制方法。5.一...
【专利技术属性】
技术研发人员：张晟，曾俊彦，杨巍，夏庆超，杨灿军，金波，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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