本发明专利技术提供一种基于非接触式下肢膝关节外骨骼助力方法、系统及计算机可读介质，包括：利用状态识别算法实时识别下肢膝关节外骨骼穿戴者足部的传感数据，获得足部运动状态；基于运动相位识别算法判断穿戴者进行上下楼梯运动时的足部运动状态，得到穿戴者上下楼梯时的运动相位；根据运动相位调取助力与随动控制策略执行相应的控制运算，输出控制力矩，并传输至下肢膝关节外骨骼中的主控制器，以控制外骨骼膝关节电机带动穿戴者完成上下楼梯运动。本发明专利技术通过采用非接触式的运动传感器，提取并分析出上下楼梯的助力相位区间，制定上下楼梯的运动控制策略，使得在上下楼梯的运动过程中更加符合人体的实际运动特点，提高穿戴者助力的高效稳定性。的高效稳定性。的高效稳定性。
【技术实现步骤摘要】
基于非接触式下肢膝关节外骨骼助力方法、系统及计算机可读介质
[0001]本专利技术涉及外骨骼运动控制
，具体而言涉及一种基于非接触式下肢膝关节外骨骼助力方法、系统及计算机可读介质。
技术介绍
[0002]在登山物资运输过程中，挑山工、物资运输工人需要长时间上下楼梯搬运物资，长期工作在该环境下容易诱发职业性肌肉骨骼疾病风险，对人体的下肢尤其是膝关节造成严重损伤，中老年游客若进行登山运动或上下楼梯的活动，通常也会产生易疲劳和膝关节发僵、疼痛的问题(人到中年后，膝关节的肌腱、韧带开始发生退行性改变，关节腔的滑液分泌减少，关节骨面长期摩擦形成骨质磨损，关节周围组织由于炎症等原因易发生纤维粘连)，目前，通常采用拐杖或者无动力源外骨骼进行上下楼梯部分的腿部支撑，以缓解对下肢膝关节的损伤、发僵疼痛情况，但是现有技术缺乏有效的动力源辅助策略设备和手段，解决效果不理想。
[0003]CN 114905490 A中提出了一种主被动结合的辅助支撑外骨骼方案，通过棘齿轮和电机的主被动配合，综合了被动式外骨骼支撑稳定以及主动式外骨骼行走助力的特点，但工作场景仅限于行走和蹲下支撑部分，缺乏对上下楼梯环节部分的助力。
[0004]CN 111452026 A中提出了一种被动式膝关节助力外骨骼，通过被动组件将大腿杆件和小腿杆件结合起来，以被动弹簧的方式进行运动助力，但实际弹簧的压缩仍然需要人体做功，对人体的运动存在阻碍。
技术实现思路
[0005]根据本专利技术目的的第一方面，提供一种基于非接触式下肢膝关节外骨骼助力方法，包括：
[0006]步骤1、利用状态识别算法实时识别下肢膝关节外骨骼穿戴者足部的传感数据，获得足部运动状态；
[0007]步骤2、基于运动相位识别算法判断穿戴者进行上下楼梯运动时的所述足部运动状态，得到穿戴者上下楼梯时的运动相位；
[0008]步骤3、根据所述运动相位调取助力与随动控制策略执行相应的控制运算，输出控制力矩，并传输至下肢膝关节外骨骼中的主控制器，以控制外骨骼膝关节电机带动穿戴者完成上下楼梯运动。
[0009]进一步地，前述步骤1中，利用状态识别算法实时识别下肢膝关节外骨骼穿戴者足部的传感数据，获得足部运动状态，包括：
[0010]穿戴者穿戴下肢膝关节外骨骼，选择上下楼梯模式；
[0011]同步调取状态识别算法识别穿戴者足部的传感数据，计算足部关节角度的绝对值和足底角速度；
[0012]判断所述足部关节角度的绝对值和所述足底角速度大小，得到足部运动状态。
[0013]进一步地，所述足部运动状态包括足部支撑动作、提足动作和落足动作。
[0014]进一步地，计算足部关节角度的绝对值和足底角速度，以判断足部运动状态，其数学表达公式如下：
[0015][0016]其中，θ为足部IMU传感器的测量值，为足部关节角度的绝对值，为角度均值，为时间均值，为拟合出的足底角速度。
[0017]进一步地，根据计算得到的足部关节角度的绝对值和足底角速度，判断绝对值、足底角速度大小，得到足部运动状态，包括：
[0018]若所述足部关节角度的绝对值小于10
°
，则为足部支撑动作；
[0019]若所述足部关节角度的绝对值大于10
°
，足底角速度大于5
°
/s，则为提足动作；
[0020]若所述足部关节角度的绝对值大于10
°
，足底角速度小于5
°
/s，且上一时刻足部运动状态不为支撑动作或提足动作，则为落足动作。
[0021]进一步地，前述步骤2中，基于运动相位识别算法判断穿戴者进行上下楼梯运动时的所述足部运动状态，得到穿戴者上下楼梯时的运动相位，所述运动相位包括助力相位和随动相位。
[0022]进一步地，当穿戴者上楼梯时，若穿戴者后侧足部出现提足动作，则为所述助力相位；
[0023]若穿戴者后侧足部未出现提足动作，则为所述随动相位；
[0024]当穿戴者下楼梯时，若穿戴者后侧足部出现提足动作，则为所述随动相位；
[0025]若穿戴者后侧足部未出现提足动作，且穿戴者前侧侧足部出现支撑动作，则为所述助力相位。
[0026]进一步地，前述步骤3中，根据所述运动相位调取助力与随动控制策略执行相应的控制运算，输出控制力矩，包括：
[0027]若为所述随动相位，则调取随动控制策略，基于实时运动过程中的人机交互力，进行低通滤波处理，并与目标人机交互力做差求得实时的交互力误差，再经PD控制器与前馈输入做力矩求和作用于外骨骼膝关节电机，以带动穿戴者完成上下楼梯运动；
[0028]若为所述助力相位，则调取助力辅助控制策略，基于实时运动过程中的足部关节角度，与目标关节位置做差求得输出力矩，并经PD控制器与前馈输入做力矩求和作用于外骨骼膝关节电机，以带动穿戴者完成上下楼梯运动。
[0029]根据本专利技术目的的第二方面，提供一种基于非接触式下肢膝关节外骨骼助力系统，包括：
[0030]一个或多个处理器；
[0031]存储器，存储可被操作的指令，所述指令在通过所述一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括如所述基于非接触式下肢膝关节外骨骼助力方法的流程。
[0032]根据本专利技术目的的第三方面，提供一种存储软件的计算机可读介质，其特征在于：
所述软件包括能通过一个或多个计算机执行的指令，所述指令通过这样的执行使得所述一个或多个计算机执行操作，所述操作包括如所述基于非接触式下肢膝关节外骨骼助力方法的流程。
[0033]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：本专利技术通过采用非接触式的运动传感器，提取并分析出上下楼梯的助力相位区间，制定上下楼梯的运动控制策略，使得在上下楼梯的运动过程中更加符合人体的实际运动特点，提高穿戴者助力的高效稳定性；同时，本专利技术针对上下楼梯运动，设定了不同的运动控制目标，在抬腿的快速摆动阶段，以零交互力为控制策略，实现人体膝关节的快速摆动，在支撑阶段，以零位为目标，控制人体膝关节快速恢复至支撑状态，实现上下楼梯的支撑辅助。
[0034]应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的专利技术主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的专利技术主题的一部分。
[0035]结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本专利技术教导的前述和其他方面、实施例和特征。本专利技术的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本专利技术教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
[0036]附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本专利技术的各个方面的实施例。
[0037本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于非接触式下肢膝关节外骨骼助力方法，其特征在于，包括：步骤1、利用状态识别算法实时识别下肢膝关节外骨骼穿戴者足部的传感数据，获得足部运动状态；步骤2、基于运动相位识别算法判断穿戴者进行上下楼梯运动时的足部运动状态，得到穿戴者上下楼梯时的运动相位；步骤3、根据所述运动相位调取助力与随动控制策略执行相应的控制运算，输出控制力矩，并传输至下肢膝关节外骨骼中的主控制器，以控制外骨骼膝关节电机带动穿戴者完成上下楼梯运动。2.根据权利要求1所述的基于非接触式下肢膝关节外骨骼助力方法，其特征在于，前述步骤1中，利用状态识别算法实时识别下肢膝关节外骨骼穿戴者足部的传感数据，获得足部运动状态，包括：穿戴者穿戴下肢膝关节外骨骼，选择上下楼梯模式；同步调取状态识别算法识别穿戴者足部的传感数据，计算足部关节角度的绝对值和足底角速度；判断所述足部关节角度的绝对值和所述足底角速度大小，得到足部运动状态。3.根据权利要求2所述的基于非接触式下肢膝关节外骨骼助力方法，其特征在于，所述足部运动状态包括足部支撑动作、提足动作和落足动作。4.根据权利要求2或3所述的基于非接触式下肢膝关节外骨骼助力方法，其特征在于，计算足部关节角度的绝对值和足底角速度，以判断足部运动状态，其数学表达公式如下：计算足部关节角度的绝对值和足底角速度，以判断足部运动状态，其数学表达公式如下：其中，θ为足部IMU传感器的测量值，为足部关节角度的绝对值，为角度均值，为时间均值，为拟合出的足底角速度。5.根据权利要求4所述的基于非接触式下肢膝关节外骨骼助力方法，其特征在于，根据计算得到的足部关节角度的绝对值和足底角速度，判断绝对值、足底角速度大小，得到足部运动状态，包括：若所述足部关节角度的绝对值小于10
°
，则为足部支撑动作；若所述足部关节角度的绝对值大于10
°
，足底角速度大于5
°
/s，则为提足动作；若所述足部关节角度的绝对值大于10
°
，足底角速度小于5
°
【专利技术属性】
技术研发人员：魏巍，林西川，查士佳，
申请(专利权)人：迈宝智能科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：
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