一种基于人体下肢肌肉力学特性的助力外骨骼控制方法技术

本申请提供一种基于人体下肢肌肉力学特性的助力外骨骼控制方法，包括以下步骤：获取不同类型人群的多条下肢肌肉对应的肌肉力数据，将下肢肌肉依据所处关节位置划分为若干组关节肌肉群；依据各条肌肉的肌肉力数据，计算一个步态周期的不同时间节点下，不同运动模式对应的各组关节肌肉群的等效肌肉力；获取辅助力系数，基于各组关节肌肉群的辅助力系数以及等效肌肉力，计算得到不同类型人群的各组关节肌肉群的辅助肌肉力大小，进而得到在不同运动模式下每个关节肌肉群的助力波形函数。基于人体下肢肌肉特性的助力波形函数可以为下肢助力外骨骼控制提供参考依据，并提升助力效率、提高人机系统协调性和穿戴舒适性。提高人机系统协调性和穿戴舒适性。提高人机系统协调性和穿戴舒适性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于人体下肢肌肉力学特性的助力外骨骼控制方法


[0001]本申请涉及辅助外骨骼
，具体涉及一种基于人体下肢肌肉力学特性的助力外骨骼控制方法。

技术介绍

[0002]人口老龄化已成为世界公认的社会难题，随着老人年龄增长，下肢力量逐渐减小，关节活动度降低，致使老年人步行能力较弱、行走吃力，下肢辅助外骨骼设备应运而生，下肢辅助外骨骼设备可以为老人提供额外的助力，对提高老人步行能力、缓解骨骼肌萎缩具有重要意义。
[0003]下肢辅助外骨骼设备通常根据助力波形图对穿戴者予以助力，助力波形图表征在一个步态周期内，该设备对穿戴者给予的实时助力大小，现有技术中，助力波形图往往依据足底压力、关节力矩、关节角度等得到近似正弦或余弦函数，或者其它的曲线函数，但并未考虑人体本身的肌肉特性，使用这样的助力波形图控制下肢辅助外骨骼设备对穿戴者助力，会导致助力效率低，人机系统协调性差、舒适性差问题。

技术实现思路

[0004]鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种基于人体下肢肌肉力学特性的助力外骨骼控制方法，包括以下步骤：
[0005]获取不同类型人群的第一数据集，所述第一数据集至少包括多组运动模式，以及在各组所述运动模式下，在一个步态周期的不同时间节点下，人体多条下肢肌肉对应的肌肉力数据；
[0006]将多条下肢肌肉依据所处关节位置划分为若干组关节肌肉群，并依据各条肌肉的所述肌肉力数据，计算一个步态周期的不同时间节点下，在不同运动模式下各组所述关节肌肉群的等效肌肉力；
[0007]获取各组所述运动模式下、各组所述关节肌肉群的辅助力系数，基于各组所述关节肌肉群的辅助力系数以及各组所述关节肌肉群的等效肌肉力，计算得到不同类型人群的第二数据集，所述第二数据集至少包括在各组所述运动模式下，在一个步态周期的不同时间节点下，各组所述关节肌肉群的辅助肌肉力大小；
[0008]基于不同类型人群的所述第二数据集，得到在不同运动模式下每个关节肌肉群的助力波形函数，用于控制所述助力外骨骼为穿戴者发出的辅助肌肉力大小。
[0009]根据本申请实施例提供的技术方案，获取不同类型人群的第一数据集，至少包括以下步骤：
[0010]进行多名受试者分别在不同运动模式下的动作捕捉实验，记录各所述受试者的人体信息，并获取每个受试者在不同运动模式下的下肢的运动信息，所述运动信息至少包括运动过程中在不同时间节点的运动位置与姿态信息；所述人体信息至少包括性别、体重、年龄；
[0011]将每个所述受试者对应的所述人体信息以及所述运动信息输入至生物力学仿真平台，得到每个所述受试者在每个所述运动模式下，在一个步态周期的不同时间节点下，人体多条下肢肌肉对应的肌肉力数据；
[0012]整合男性/女性受试者的各肌肉力数据，进而得到不同性别人群的所述第一数据集。
[0013]根据本申请实施例提供的技术方案，整合男性/女性受试者的各肌肉力数据，进而得到不同性别人群的所述第一数据集，至少包括以下步骤：
[0014]分别汇总所有男性/女性受试者的肌肉力数据，并对男性/女性受试者的肌肉力数据分别求平均数，得到男性/女性类型的所述第一数据集。
[0015]根据本申请实施例提供的技术方案，将多条下肢肌肉依据所处关节位置划分为若干组关节肌肉群，至少包括以下步骤：
[0016]将多条下肢肌肉划分为三组关节肌肉群，分别为踝关节肌肉群、膝关节肌肉群和髋关节肌肉群。
[0017]根据本申请实施例提供的技术方案，所述肌肉力数据至少包括肌肉力大小和肌肉力方向；依据各条下肢肌肉的所述肌肉力数据，计算一个步态周期的不同时间节点下，在不同运动模式下各组所述关节肌肉群的等效肌肉力，至少包括以下步骤：
[0018]基于各组所述关节肌肉群中每条肌肉的肌肉力大小和肌肉力方向，计算得到各组所述关节肌肉群在其内每条肌肉的相互配合下的总发力，该总发力为所述实时等效肌肉力。
[0019]根据本申请实施例提供的技术方案，基于各组所述关节肌肉群的辅助力系数以及各组所述关节肌肉群的等效肌肉力，计算得到不同人体类型对应的第二数据集，至少包括以下步骤：
[0020]将各组所述辅助力系数与对应组所述关节肌肉群的等效肌肉力作乘法，乘积为各组所述关节肌肉群的辅助肌肉力。
[0021]根据本申请实施例提供的技术方案，该方法还包括以下步骤：
[0022]根据穿戴者的年龄、体重和实际所需助力大小需求，计算修正系数，用于对各所述助力波形函数进行修正。
[0023]根据本申请实施例提供的技术方案，进行多名受试者分别在不同运动模式下的动作捕捉实验，获取每个受试者在不同运动模式下的下肢的运动信息，至少包括以下步骤：
[0024]在所述受试者的人体表面粘贴反光点；粘贴反光点后的所述受试者在不同运动模式下，以第一预设范围的步速行走；
[0025]使用相机捕捉反光点，并通过反光点的变化位置，得到不同运动模式下的下肢运动信息。
[0026]根据本申请实施例提供的技术方案，所述受试者在不同运动模式下，以第一预设范围的步速行走之前，至少包括以下步骤：
[0027]采集各所述受试者在起始位置的初始姿态数据，构建参照人体曲棍图。
[0028]根据本申请实施例提供的技术方案，将每个所述受试者对应的所述人体信息以及所述运动信息输入至生物力学仿真平台，至少包括以下步骤：
[0029]以所述受试者的所述人体信息作为仿真参数，输入生物力学仿真平台；
[0030]将不同受试者的所述人体下肢运动信息输入至设置后的所述生物力学仿真平台；
[0031]判断所述模拟人体曲棍图与所述参照人体曲棍图的相似度大于或等于第一预设阈值时，开始动力学和逆动力学仿真。
[0032]本方案与现有技术相比，有益效果在于：在真实运动模式下得到正常人体运动时每条肌肉的肌肉力数据，考虑了在运动过程中肌肉发力的真实特性，通过不同关节处的发力情况，得到每组下肢关节肌肉群的等效肌肉力，考虑了人体肌肉分布的真实情况，还基于给穿戴者助力但不能使穿戴者过分依赖的考虑下，设置辅助发力系数，进而得到适应真实应用场景且考虑人体肌肉特性的助力波形函数，使用这个助力波形函数控制助力外骨骼为穿戴者发出的辅助肌肉力，可以提升助力效率、提高人机系统协调性和穿戴舒适性。
附图说明
[0033]图1为本申请实施例提供的基于人体下肢肌肉力学特性的助力外骨骼控制方法的步骤流程图；
[0034]图2为本申请实施例提供的平地行走的运动模式下，髋膝踝关节的等效肌肉力以及辅助肌肉力大小的曲线图；其中，(a)踝关节等效肌肉力；(b)膝关节等效肌肉力；(c)髋关节等效肌肉力；(d)踝关节辅助肌肉力；(e)膝关节辅助肌肉力；(f)髋关节辅助肌肉力。
具体实施方式
[0035]下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关专利技术，而非对该专利技术的限定。另外还需要说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于人体下肢肌肉力学特性的助力外骨骼控制方法，其特征在于，包括以下步骤：获取不同类型人群的第一数据集，所述第一数据集至少包括多组运动模式，以及在各组所述运动模式下，在一个步态周期的不同时间节点下，人体多条下肢肌肉对应的肌肉力数据；将多条下肢肌肉依据所处关节位置划分为若干组关节肌肉群，并依据各条肌肉的所述肌肉力数据，计算一个步态周期的不同时间节点下，在不同运动模式下各组所述关节肌肉群的等效肌肉力；获取各组所述运动模式下、各组所述关节肌肉群的辅助力系数，基于各组所述关节肌肉群的辅助力系数以及各组所述关节肌肉群的等效肌肉力，计算得到不同类型人群的第二数据集，所述第二数据集至少包括在各组所述运动模式下，在一个步态周期的不同时间节点下，各组所述关节肌肉群的辅助肌肉力大小；基于不同类型人群的所述第二数据集，得到在不同运动模式下每个关节肌肉群的助力波形函数，用于控制所述助力外骨骼为穿戴者发出的辅助肌肉力大小。2.根据权利要求1所述的基于人体下肢肌肉力学特性的助力外骨骼控制方法，其特征在于：获取不同类型人群的第一数据集，至少包括以下步骤：进行多名受试者分别在不同运动模式下的动作捕捉实验，记录各所述受试者的人体信息，并获取每个受试者在不同运动模式下的下肢的运动信息，所述运动信息至少包括运动过程中在不同时间节点的运动位置与姿态信息；所述人体信息至少包括性别、体重、年龄；将每个所述受试者对应的所述人体信息以及所述运动信息输入至生物力学仿真平台，得到每个所述受试者在每个所述运动模式下，在一个步态周期的不同时间节点下，人体多条下肢肌肉对应的肌肉力数据；整合男性/女性受试者的各肌肉力数据，进而得到不同性别人群的所述第一数据集。3.根据权利要求1所述的基于人体下肢肌肉力学特性的助力外骨骼控制方法，其特征在于：整合男性/女性受试者的各肌肉力数据，进而得到不同性别人群的所述第一数据集，至少包括以下步骤：分别汇总所有男性/女性受试者的肌肉力数据，并对男性/女性受试者的肌肉力数据分别求平均数，得到男性/女性类型的所述第一数据集。4.根据权利要求1所述的基于人体下肢肌肉力学特性的助力外骨骼控制方法，其特征在于：将多条下肢肌肉依据所处关节位置划分为若干组关节肌肉群，至少包括以下步骤：将多条下肢肌肉划分为三组关节肌肉群，分别为踝关节肌肉群、膝关节肌肉群和髋关节...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘启明，郭新丹，李涛，郭士杰，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：