一种下肢助力外骨骼及助力控制方法技术

本发明专利技术公开了一种下肢助力外骨骼及助力控制方法，该方法包括：采集外骨骼穿戴者的足底压力及膝关节弯曲角度；根据足底压力及膝关节弯曲角度判断外骨骼穿戴者的步态；根据外骨骼穿戴者的步态进行助力。本发明专利技术部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够分别在上台阶、上陡坡和深蹲起三种步态下控制外骨骼对人体下肢进行助力。相应地，还提供了一种下肢助力外骨骼。力外骨骼。力外骨骼。

【技术实现步骤摘要】
一种下肢助力外骨骼及助力控制方法
优先权申请
[0001]本申请要求2022年6月21提交的中国专利技术专利申请【CN202210702771.X】“【专利技术名称：下肢助力外骨骼助力控制方法】”的优先权，该优先权专利技术专利申请以引用方式全文并入。
[0002]本申请将作为后续专利申请(包括，但不限于，中国专利技术专利申请、中国技术申请、PCT申请、基于巴黎公约的国外申请)的优先权基础。


[0003]本专利技术涉及外骨骼
，尤其涉及一种下肢助力外骨骼及其助力控制方法。

技术介绍

[0004]外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算，为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。外骨骼机器人用于为人体提供助力，在增强人体技能、辅助运动、康复治疗方面有着突出的发展前景，日益成为机器人领域的研究重点。其中，下肢助力外骨骼能增强人体下肢的运动机能，例如膝关节主动式助力外骨骼能够在人体正常行走时提供助力。
[0005]目前，大多下肢主动式外骨骼的控制算法都是针对康复外骨骼，它与人体增能外骨骼有所区别在于，康复外骨骼是外骨骼带着人走，而增能外骨骼是外骨骼跟随人运动，因此，有时也被称之为被动式外骨骼。其中，康复外骨骼的控制策略大多是在感知到人体重心移动后，让摆动腿和支撑腿按照预定轨迹运动，也即由康复外骨骼来控制待助力关节的运动轨迹。然而，对于增强外骨骼，控制待助力关节的运动轨迹的这种控制策略并不适用。随着增能外骨骼的发展，其助力控制算法越来越多，但目前针对人体增能外骨骼设计的助力控制策略，大多都是针对平路行走步态，其主要依据髋关节的旋转角度、角速度，或者仅依靠足底压力对支撑腿和摆动腿进行步态判断，然后提供相应的助力。
[0006]例如，申请号为CN201510501879.2的中国专利技术专利申请提供了一种可穿戴式外骨骼下肢机构的控制方法，其通过根据足底压力信号来判断下肢机构是处于平路行走或步行中的摆动状态还是支撑状态，然后根据腰部或小腿上采集到的压力信号来计算髋关节和膝关节的期望角度和期望速度，并根据该希望角度和期望速度作出助力响应。
[0007]又如，申请号为CN201810950690.5的中国专利技术专利申请提供了一种下肢助力外骨骼机器人的步态控制方法，其通过提供平路行走的步态模型和参比信息作为对比标准，然后采集人体行走时的助力外骨骼中踝关节的角度信息，并将其与参比信息进行对比以识别行走步态，然后作出相同的控制或调整。
[0008]如前所述，这些助力控制方法都是针对平路行走步态的助力。当下肢助力外骨骼帮助人体连续上台阶或深蹲起时，如何能够让外骨骼识别人体是否正在上台阶或上陡坡或深蹲起等，从而更好地给予人体膝关节处明显的助力转矩，进而帮助穿戴者爬升楼梯或起立的研究尚未见报道。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种下肢助力外骨骼及助力控制方法，部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够分别在上台阶、上陡坡和深蹲起三种步态下控制外骨骼对人体下肢进行助力。
[0010]为了解决上述所提到的技术问题，本专利技术具体采用以下技术方案：
[0011]本专利技术提供一种下肢助力外骨骼助力控制方法，包括：
[0012]采集外骨骼穿戴者的足底压力及膝关节弯曲角度；
[0013]根据足底压力及膝关节弯曲角度判断外骨骼穿戴者的步态，所述步态包括单腿爬升步态、摆动跟随步态、平路步行步态、深蹲步态；
[0014]根据外骨骼穿戴者的步态进行助力；其中，若步态为单腿爬升步态则对外骨骼穿戴者该侧腿部进行单侧助力；若步态为深蹲步态则对外骨骼穿戴者双腿进行双侧助力；若为摆动跟随步态或平路步行步态则不进行助力。
[0015]作为一种改进，利用设置在外骨骼穿戴者足底的压力传感器采集足底压力；利用设置在下肢助力外骨骼驱动器中的磁角度传感器或者设置在外骨骼穿戴者膝部的角度传感器采集膝关节弯曲角度。
[0016]作为一种改进，利用磁角度传感器采集膝关节弯曲角度的方法包括：
[0017]利用公式φ＝R1*(θ1‑
θ0)/R2计算膝关节弯曲角度，其中R1为驱动器绞盘的直径，θ0为绞盘的初始角度，θ1为绞盘的当前角度，R2为膝关节端钢丝的滑轮半径，φ为膝关节的弯曲角度。
[0018]作为一种改进，利用公式ΔL＝2πR1*(θ1‑
θ0)/360
°
计算驱动器中钢丝被拉出的长度；
[0019]利用公式φ＝360
°
*ΔL/2πR2计算膝关节弯曲的角度；
[0020]其中R1为驱动器绞盘的直径，θ0为绞盘的初始角度，θ1为绞盘的当前角度，ΔL为钢丝被拉出的长度，R2为膝关节端钢丝的滑轮半径，φ为膝关节的弯曲角度。
[0021]作为一种改进，判断外骨骼穿戴者的步态的方法包括：
[0022]对外骨骼穿戴者的左右腿分别判断是否为单侧腿运动步态中的一种，若是则将该侧腿的状态设置为对应的单侧腿运动步态，若否则维持现有状态；所述单侧腿步态包括单腿爬升步态、摆动跟随步态、平路步行步态；
[0023]对外骨骼穿戴者的双腿判断是否为深蹲步态，若是则将双腿的状态设置为深蹲步态，若否则维持现有状态。
[0024]作为一种改进，判断单侧腿运动步态的方法包括：
[0025]判断单侧足底压力是否大于上升阈值，若大于上升阈值且上一次足底压力判断小于上升阈值，则单侧足底压力判断结果为真，并判断膝关节弯曲角度是否大于上升角度阈值；
[0026]若膝关节弯曲角度大于上升角度阈值则判定当前步态为单腿爬升步态，若小于上升角度阈值则判定当前步态为平路步行步态；
[0027]判断单侧足底压力是否大于上升阈值时，若小于上升阈值或/和上一次足底压力判断大于上升阈值，则单侧足底压力判断结果为假，并判断足底压力是否小于摆动阈值；
[0028]若足底压力小于摆动阈值，则判定当前步态为摆动跟随步态。
[0029]作为一种改进，判断深蹲步态的方法包括：
[0030]判断双腿足底压力是否超过深蹲压力阈值，若超过深度阈值则判断双腿膝关节弯曲角度是否超过深蹲角度阈值；
[0031]若超过深蹲角度阈值则判定当前步态为深蹲步态。
[0032]作为一种改进，所述根据外骨骼穿戴者的步态进行助力的方法包括：
[0033]按照设定助力大小进行助力或者按照足底压力大小进行助力；
[0034]按照足底压力进行助力时，助力的大小为T＝k*G*F
foot
，其中，T为电机的助力转矩，k为足底压力放大系数，G为助力档位调节系数，F
foot
为足底压力。
[0035]作为一种改进，还包括自优化学习判断方法，所述自优化学习判断方法包括：
[0036]将计数器清零；
[0037]流程记录步骤，若进行过采集左侧足底压力及膝关节弯曲角度、且进行过判断左腿步态、且进行过采集右侧足底压力及膝关节弯曲角度、且进行过判断右腿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种下肢助力外骨骼助力控制方法，应用于自动控制，其特征在于包括：采集外骨骼穿戴者的足底压力及膝关节弯曲角度；根据足底压力及膝关节弯曲角度判断外骨骼穿戴者的步态，所述步态包括单腿爬升步态、摆动跟随步态、平路步行步态、深蹲步态；根据外骨骼穿戴者的步态进行助力；其中，若步态为单腿爬升步态则对外骨骼穿戴者该侧腿部进行单侧助力；若步态为深蹲步态则对外骨骼穿戴者双腿进行双侧助力；若为摆动跟随步态或平路步行步态则不进行助力；所述根据足底压力及膝关节弯曲角度判断外骨骼穿戴者的步态的步骤，具体包括：判断双腿足底压力是否超过深蹲压力阈值，若超过深度阈值则判断双腿膝关节弯曲角度是否超过深蹲角度阈值；若超过深蹲角度阈值则判定当前步态为深蹲步态。2.根据权利要求1所述的一种下肢助力外骨骼助力控制方法，其特征在于：利用设置在外骨骼穿戴者足底的压力传感器采集足底压力；利用设置在下肢助力外骨骼驱动器中的磁角度传感器或者设置在外骨骼穿戴者膝部的角度传感器采集膝关节弯曲角度；其中，利用磁角度传感器采集膝关节弯曲角度的方法包括：利用公式φ＝R1*(θ1‑
θ0)/R2计算膝关节弯曲角度，其中R1为驱动器绞盘的直径，θ0为绞盘的初始角度，θ1为绞盘的当前角度，R2为膝关节端钢丝的滑轮半径，φ为膝关节的弯曲角度；和/或，根据足底压力及膝关节弯曲角度判断外骨骼穿戴者的步态的步骤还包括：对外骨骼穿戴者的左右腿分别判断是否为单侧腿运动步态中的一种，若是则将该侧腿的状态设置为对应的单侧腿运动步态，若否则维持现有状态；所述单侧腿步态包括单腿爬升步态、摆动跟随步态、平路步行步态；和/或，所述根据外骨骼穿戴者的步态进行助力的步骤包括：按照设定助力大小进行助力或者按照足底压力大小进行助力；按照足底压力进行助力时，助力的大小为T＝k*G*F
foot
，其中，T为电机的助力转矩，k为足底压力放大系数，G为助力档位调节系数，F
foot
为足底压力；和/或，所述下肢助力外骨骼助力控制方法还包括自优化学习判断步骤，所述自优化学习判断步骤包括：将计数器清零；流程记录步骤，若进行过采集左侧足底压力及膝关节弯曲角度、且进行过判断左腿步态、且进行过采集右侧足底压力及膝关节弯曲角度、且进行过判断右腿步态、且进行过判断深蹲步态、且进行过实施左腿助力、且进行过实施右腿助力则计数器+1；判断步骤，判断计数器是否超过学习阈值，若超过学习阈值则进行阈值优化学习，并且计数器清零后执行流程记录步骤和判断步骤；若未超过则执行流程记录步骤。3.根据权利要求2所述的一种下肢助力外骨骼助力控制方法，其特征在于判断单侧腿运动步态的步骤包括：判断单侧足底压力是否大于上升阈值，若大于上升阈值且上一次足底压力判断小于上升阈值，则单侧足底压力判断结果为真，并判断膝关节弯曲角度是否大于上升角度阈值；若膝关节弯曲角度大于上升角度阈值则判定当前步态为单腿爬升步态，若小于上升角度阈值则判定当前步态为平路步行步态；
判断单侧足底压力是否大于上升阈值时，若小于上升阈值或/和上一次足底压力判断大于上升阈值，则单侧足底压力判断结果为假，并判断足底压力是否小于摆动阈值；若足底压力小于摆动阈值，则判定当前步态为摆动跟随步态。4.根据权利要求3所述的一种下肢助力外骨骼助力控制方法，其特征在于所述阈值优化学习的步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁博，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：