外骨骼助力控制方法技术

本发明专利技术提供的外骨骼助力控制方法

【技术实现步骤摘要】
外骨骼助力控制方法、装置、系统及计算机可读存储介质
[
][0001]本专利技术涉及可穿戴外骨骼
，具体涉及一种动力外骨骼助力控制方法
、
装置
、
系统及计算机可读存储介质
。
[
技术介绍
][0002]穿戴式外骨骼，在包括军事，医疗和工业领域中有广泛应用
。
使用外骨骼可以减轻穿戴者负重，帮助穿戴者更好和更省力地行动
。
通常来说外骨骼在帮助穿戴者行动时使用自带动力，这种自带动力的外骨骼也叫动力外骨骼
。
在医疗领域，外骨骼可以为康复中的患者提供实时的行走助力
。
对于行动能力受损的患者，外骨骼的控制方法必须能够达到良好的人机协调，快速响应和对与常人不同步态的实时准确识别和反应能力，并提供准确和可以调整的助力时机和大小
。
其装配的传感器
(
比如说惯性传感器
)
允许了康复中的实时步态分析，而其控制方法可以进一步根据实时步态分析来提供更好的人机协调
。
另一方面，对于康复中的患者，外骨骼的运行参数，比方说助力大小，应该允许被实时方便地调整
。
调整这些参数允许康复中的患者达到想要的训练效果
。
[0003]而现有的控制方法中基本采用复杂传感器设置，使用了预设的步态曲线进行助力控制，导致穿戴者必须以机器为主导完成行走
。
而若不考虑固定的步态曲线，现有的控制方法对步态判断的不足无法适用于医疗领域的康复行走
。
同时，一些控制方法无法与智能终端连接，无法满足在长期使用中对穿戴者行走习惯和康复状态的评估，也因此其控制策略无法因每个人步态和康复需求不同做相应的细致化策略
。
[
技术实现思路
][0004]本专利技术提供一种动力外骨骼助力控制方法
、
装置
、
系统及计算机可读存储介质，可根据实时步态判断调整控制策略
、
调整控制动力其应用于康复领域，为康复训练的使用者在行走时提供踝关节的助力
。
[0005]第一方面，本专利技术实施例提供一种外骨骼助力控制方法，包括：
[0006]a)
获取左右侧或其一侧小腿
、
脚面的惯性传感器读数
、
力传感器读数；
[0007]b)
对获取的惯性传感器数据进行预处理；
[0008]c)
根据预处理的数据进行姿态解算处理，获取实时姿态信息；
[0009]d)
根据实时姿态信息和历史步态信息，确定当前步态状态；
[0010]e)
根据当前步态状态，生成控制策略；
[0011]f)
根据控制策略，生成电机控制目标点；
[0012]g)
根据电机控制目标点，左右侧电机或相应侧电机执行计算后的控制输出
。
[0013]在一个可能设计中，还包括获取躯干背部的惯性传感器读数；所述步骤
c)
中的姿态解算处理包括：
[0014]根据预处理数据进行空间朝向计算，计算出每个部位即小腿
、
脚面的空间朝向，获取小腿
、
脚面和躯干背部的姿态信息；以及
[0015]根据空间朝向数据进行角度计算，获得小腿角度
、
脚面角度
、
脚踝角度
、
躯干背部角度
。
[0016]在一个可能设计中，步骤
d)
中实时姿态信息和历史步态信息包括小腿角度
、
脚面角度
、
躯干背部角度
、
小腿角速度
、
脚面角速度，根据实时的
、
历史的小腿角度
、
脚面角度
、
小腿角速度
、
脚面角速度信息，判断所需助力脚在脚触地到下一次触地的步态周期中的步态状态
。
[0017]在一个可能设计中，所述在一个步态周期采用百分比表示不同状态，从0到
100
％分别对应该脚触地到下一次触地的不同步态状态，其中在
30
‑
60
％范围内对应脚跟离开地面的状态
。
[0018]在一个可能设计中，姿态信息和步态信息中还包括获取小腿
、
脚面的加速度和角速度；通过判定加速度和角速度一段时间内的值和方向，判断脚跟到脚尖是否整体落于地面，如果加速度和角速度的值和方向稳定位于一个预定范围内，则判断该脚从脚跟到脚尖都落于地面
。
[0019]在一个可能设计中，还包括如下步骤：获取单侧下肢的步态周期百分比后，查看另一侧下肢的步态周期百分比，比较两侧下肢步态周期，若两者的步态时间差大于或小于预先设定的阈值，则将目前与地面接触的脚做标准，调整另一只脚的步态判断
。
[0020]在一个可能设计中，所述预先设定的阈值为
50
％
。
[0021]在一个可能设计中，所述调整另一只脚的步态判断包括如下中的任一种方法：迭代式的调整，每次判断时做微小调整；规则式的调整，使用预先设置的规则做调整；或根据模型调整，使用一个线上模型拟合步态判断，调整现有步态判断以最小化与模型的误差
。
[0022]在一个可能设计中，所述的控制策略包括助力目标控制策略
、
不提供助力策略和指示灯控制策略
。
[0023]在一个可能设计中，步骤
e)
中，还包括根据力传感器的数据以及外部输入的力的参数，综合当前步态判断结果，生成助力目标控制策略
。
[0024]在一个可能设计中，所述电机目标控制点包括电机电流目标点
、
电机转速定点
、
编码器位置定点一种
。
[0025]在一个可能设计中，步骤
e)
中，还包括在判断步态状态信息为在脚跟离开地面且踝关节跖屈的时机提出助力策略
。
[0026]第二方面，本专利技术实施例提供一种外骨骼助力控制装置，包括数据获取单元
、
数据预处理单元
、
姿态解算处理单元
、
步态状态判断单元
、
控制策略生成单元
、
电机控制目标点单元和存储单元；
[0027]所述数据获取单元对原始传感器数据进行读取，获取每只脚上脚面传感器和小腿传感器的姿态信息包括脚面加速度
、
角速度在内的原始姿态信息，以及获取鲍登线固定点力传感器的拉力数据；
[0028]所述数据预处理单元对数据获取单元获取的传感器信息进行预处理，获得优化的原始姿态数据；
[0029]所述姿态解算处理单元对数据预处理单元发送来的数据进行姿态解算，获取实时姿态信息，包括解算脚面
、
小腿所处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种外骨骼助力控制方法，其特征在于，包括：
a)
获取左右侧或其一侧小腿
、
脚面的惯性传感器读数
、
力传感器读数；
b)
对获取的惯性传感器数据进行预处理；
c)
根据预处理的数据进行姿态解算处理，获取实时姿态信息；
d)
根据实时姿态信息和历史步态信息，确定当前步态状态；
e)
根据当前步态状态，生成控制策略；
f)
根据控制策略，生成电机控制目标点；
g)
根据电机控制目标点，左右侧电机或相应侧电机执行计算后的控制输出
。2.
如权利要求1所述的外骨骼助力控制方法，其特征在于，还包括获取躯干背部的惯性传感器读数；所述步骤
c)
中的姿态解算处理包括：根据预处理数据进行空间朝向计算，计算出每个部位即小腿
、
脚面的空间朝向，获取小腿
、
脚面和躯干背部的姿态信息；以及根据空间朝向数据进行角度计算，获得小腿角度
、
脚面角度
、
脚踝角度
、
躯干背部角度
。3.
如权利要求2所述的外骨骼助力控制方法，其特征在于，步骤
d)
中实时姿态信息和历史步态信息包括小腿角度
、
脚面角度
、
躯干背部角度
、
小腿角速度
、
脚面角速度，根据实时的
、
历史的小腿角度
、
脚面角度
、
小腿角速度
、
脚面角速度信息，判断所需助力脚在脚触地到下一次触地的步态周期中的步态状态
。4.
如权利要求3所述的外骨骼助力控制方法，其特征在于，所述在一个步态周期采用百分比表示不同状态，从0到
100
％分别对应该脚触地到下一次触地的不同步态状态，其中在
30
‑
60
％范围内对应脚跟离开地面的状态
。5.
如权利要求4所述的外骨骼助力控制方法，其特征在于，姿态信息和步态信息中还包括获取小腿
、
脚面的加速度和角速度；通过判定加速度和角速度一段时间内的值和方向，判断脚跟到脚尖是否整体落于地面，如果加速度和角速度的值和方向稳定位于一个预定范围内，则判断该脚从脚跟到脚尖都落于地面
。6.
如权利要求4所述的外骨骼助力控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：获取单侧下肢的步态周期百分比后，查看另一侧下肢的步态周期百分比，比较两侧下肢步态周期，若两者的步态时间差大于或小于预先设定的阈值，则将目前与地面接触的脚做标准，调整另一只脚的步态判断
。7.
如权利要求6所述的外骨骼助力控制方法，其特征在于，所述预先设定的阈值为
50
％
。8.
如权利要求7所述的外骨骼助力控制方法，其特征在于，所述调整另一只脚的步态判断包括如下中的任一种方法：迭代式的调整，每次判断时做微小调整；规则式的调整，使用预先设置的规则做调整；或根据模型调整，使用一个线上模型拟合步态判断，调整现有步态判断以最小化与模型的误差
。9.
如权利要求1所述的外骨骼助力控制方法，其特征在于，所述的控制策略包括助力目标控制策略
、
不提供助力策略和指示灯控制策略
。10.
如权利要求9所述的外骨骼助力控制方法，其特征在于，步骤
e)
中，还包括根据力传感器的数据以及外部输入的力的参数，综合当前步态判断结果，生成助力目标控制策略
。11.
如权利要求
10
所述的外骨骼助力控制方法，其特征在于，所述电机目标控制点包括
电机电流目标点
、
电机转速定点
、
编码器位置定点一种
。12.
如权利要求
11
所述的外骨骼助力控制方法，其特征在于，步骤
e)
中，还包括在判断步态状态信息为在脚跟离开地面且踝关节跖屈的时机提出助力策略
。13.
一种外骨骼助力控制装置，其特征在于，包括数据获取单元
、
数据预处理单元
、
姿态解算处理单元
、
步态状态判断单元
、
控制策略生成单元
、
电机控制目标点单元和存储单元；所述数据获取单元对原始传感器数据进行读取，获取每只脚上脚面传感器和小腿传感器的姿态信息包括脚面加速度
、
角速度在内的原始姿态信息，以及获取鲍登线固定点力传感器的拉力数据；所述数据预处理单元对数据获取单元获取的传感器信息进行预处理，获得优化的原始姿态数据；所述姿态解算处理单元对数据预处理单元发送来的数据进行姿态解算，获取实时姿态信息，包括解算脚面
、
小腿所处的运动姿态，获取小腿
、
脚面的角度数据；所述步态状态判断单元根据姿态解算处理单元发送来的实时姿态信息包括小腿角度
、
脚面角度信息，根据这些角度信息和实时的小腿角速度
、
脚面角速度以及存储单元中的相应的历史数据，判断该脚在脚触地到下一次触地步态周期中的步态状态；所述控制策略生成单元根据步态状态判断单元发送的判断结果生成不同的控制策略，包括助力目标控制策略；所述电机目标控制点单元根据控制策略生成电机控制目标点，左右侧电机或相应侧电机执行计算后的控制输出；所述存储单元用于存储所获取的信息
、
计算的数据和执行的指令
。14.
如权利要求
13
所述的外骨骼助力控制装置，其特征在于，所述姿态解算处理单元包括空间朝向计算单元
、
角度计算单元；所述的空间朝向计算单元对数据预处理单元发送来的数据进行空间朝向计算，计算出每个部位即小腿
...

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，
申请(专利权)人：远也科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：