CN110812131B - 外骨骼机器人的步态控制方法、控制***及外骨骼机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种外骨骼机器人的步态控制方法、控制***及外骨骼机器人，其中，步态控制方法包括：设置步长、步高；根据所述步长和所述步高，采用样条曲线拟合生成摆动腿的足底摆动轨迹，根据所述足底摆动轨迹，采用三角函数关系计算所述摆动腿的髋关节摆动角度和膝关节摆动角度，并控制摆动腿按照计算的角度执行步行动作。本发明规划的步态符合人体运动规律；并且能针对个体的不同，规划出相适应的足底步态轨迹，调整方便。

Description

外骨骼机器人的步态控制方法、控制***及外骨骼机器人
技术领域
本发明属于外骨骼机器人领域，尤其涉及一种外骨骼机器人的步态控制方法、控制***及外骨骼机器人。
背景技术
下肢助力外骨骼机器人是一种新型的可穿戴式智能设备，它将机械***的“体力”和人类的“智力”集成到一个***中，机械***成为人身体的一部分，这样穿戴者就能够完成仅凭人体自身条件无法完成的任务，提高人体的运动能力和负重能力。
现有的下肢助力外骨骼机器人，一般只输出固定的步态轨迹，由于人们身高、性别等差异性，步态轨迹会随上述不同情况有不同要求，如果外骨骼不能确保合适的步态轨迹，会导致舒适性与平衡性下降，甚至还有可能对患者下肢造成一定损害。
因此，现有技术还有待发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种外骨骼机器人的步态控制方法、控制***及外骨骼机器人，旨在解决现有的外骨骼机器人不能根据实际情况对步态轨迹进行调整的问题。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种外骨骼机器人的步态控制方法，包括：
设置步长、步高；
根据所述步长和所述步高，采用样条曲线拟合生成摆动腿的足底摆动轨迹，根据所述足底摆动轨迹，采用三角函数关系计算所述摆动腿的髋关节摆动角度和膝关节摆动角度，并控制摆动腿按照计算的角度执行步行动作。
进一步地，所述足底摆动轨迹包括如下四个相位：
相位1，预摆动阶段：膝关节屈曲和髋关节过伸，脚尚未离起始地，设为A点；
相位2，脚离地阶段：脚抬离所述A点，并摆动至最大高度处，设为B点；
相位3，脚伸展阶段：脚向前伸展至膝关节的展开角度达到预设的阈值，设此时脚的位置为C点；
相位4，脚落地阶段：脚由所述C点落至地面，设为D点；
其中，所述A点至所述D点的距离为所述步长，所述B点的高度为所述步高；轨迹AB采用第一样条曲线拟合；轨迹BC采用第二样条曲线拟合；轨迹CD采用第三样条曲线拟合。
进一步地，设置步频T，所述步频为完成一个完整的摆动步态所需的步行时间；
所述控制摆动腿按照所述足底摆动轨迹执行步行动作，包括：
设置初始态运动至相位1的时间T1；
设置相位1运动至相位2的时间T2；
设置相位2运动至相位3的时间T3；
设置相位3运动至相位4的时间T4；
按照上述时间控制所述摆动腿在所述足底摆动轨迹上运动；
其中T1+T2+T3+T4＝T。
进一步地，所述控制摆动腿按照计算的角度执行步行动作，包括：检测所述髋关节的摆动角度和所述膝关节的摆动角度，当髋关节摆动至第一髋关节预设角度值，并且膝关节摆动至第一膝关节预设角度值时，驱动摆动腿由相位1向相位2切换。
进一步地，所述控制摆动腿按照计算的角度执行步行动作，包括：检测所述髋关节和膝关节的摆动角度，当所述髋关节摆动至与足尖的连线垂直于地面时，驱动摆动腿由相位2向相位3切换。
进一步地，所述控制摆动腿按照计算的角度执行步行动作，包括：检测所述膝关节的摆动角度或当前步长，当所述膝关节摆动至第二膝关节预设角度值时，或当前步长已达到预设步长值时，驱动摆动腿由相位3向相位4切换。
一种外骨骼机器人控制***，包括
设置模块，用于设置步长、步高；
足底摆动轨迹计算模块，用于根据所述步长和所述步高，采用样条曲线拟合生成摆动腿的足底摆动轨迹；
关节角度计算模块，用于：根据所述足底摆动轨迹，采用三角函数关系计算所述摆动腿的髋关节摆动角度和膝关摆动角度；摆动腿摆动控制模块，用于按照髋关节摆动角度和膝关摆动角度控制外骨骼机器人执行步行动作。
一种外骨骼机器人，包括腰部、通过髋关节与所述腰部连接的大腿部、通过膝关节与所述大腿部连接的小腿部，以及通过踝关节与所述小腿部连接的脚部；
所述髋关节和所述膝关节设置有驱动机构，用于控制所述大腿部和所述小腿部的摆动；
所述外骨骼机器人装载有如上所述的外骨骼机器人控制***，用于控制所述驱动机构运动。
一种计算机可读存储介质，所述存储介质包括一组计算机可执行指令，当所述指令被执行时用于执行如上所述的步态控制方法。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明的外骨骼机器人的步态控制方法，通过设置步长、步高，采用样条曲线拟合生成摆动腿的足底摆动轨迹，再根据足底轨迹推算出摆动腿关节应输出的角度，并控制所述摆动腿按角度执行步行动作。这样规划的步态符合人体运动规律；并且能针对个体的不同，规划出相适应的步态轨迹，调整方便。
附图说明
图1是本发明的外骨骼机器人的一种模型结构。
图2是本发明的外骨骼机器人在水平地面步行的模型结构图。
图3是本发明的外骨骼机器人在斜坡上步行的模型结构图。
图4是本发明的外骨骼机器人足底步态轨迹的相位分解示意图。
图5是本发明的一种外骨骼机器人控制***模块图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
外骨骼机器人是一种新型的可穿戴式智能设备，本发明实施例将机器人的摆动腿抽象为二连杆机构，如图1所示，外骨骼机器人包括腰部1、大腿部2、小腿部3和脚部4，腰部1和大腿部2通过髋关节12连接，大腿部2和小腿部3通过膝关节23连接，小腿部3和脚部4通过踝关节连接，髋关节和膝关节设置有驱动机构，用于控制所述大腿部和所述小腿部的摆动，使外骨骼机器人能够行走。本发明实施例中，为简化模型，假设踝关节保持90°不变。
基于上述模型，本发明实施例提供了一种外骨骼机器人的步态控制方法，包括步骤：设置步长、步高。
根据所述步长和步高，采用样条曲线拟合生成摆动腿的足底摆动轨迹，根据所述足底摆动轨迹，采用三角函数关系计算所述摆动腿的髋关节摆动角度和膝关节摆动角度，并控制摆动腿按照计算的角度执行步行动作。
如图2所示，MNF为摆动腿，其中，M为髋关节，N为膝关节，步长为L，步高为H，曲线为脚F的摆动轨迹，根据步长和步高采用样条曲线拟合而成，样条曲线包括但不限于一次曲线、二次曲线。本实施例中可以根据患者的身高、年龄或者性别综合考虑，对步长和步高进行选择，从而获得不同的足底摆动轨迹。如果是上坡的情形，对初始参数进行设置时，可以设置斜坡的倾斜角度θ，如图3所示，针对个体和环境的不同，规划出相适应的足底摆动轨迹，调整方便。根据所述足底摆动轨迹，采用三角函数关系计算所述摆动腿的髋关节摆动角度和膝关节摆动角度，控制所述摆动腿按照计算的角度执行步行动作。具体的，由F点的坐标，可以计算出MF的长度；用户的腿长可直接测量获取，即MN和NF已知，根据三角形的边长可计算出三角形的三个角的角度，根据该角度可计算出髋关节和膝关节的角度。即本发明可通过控制髋关节和膝关节的角度来控制足底按照图中的足底摆动轨迹曲线运动。
上述实施例中，通过设置步长、步高，并以人体体态(腿长)为基本输入参数，这样规划的步态符合人体运动规律；并且前述三个参数可根据人的身高、性别等实际情况对步态轨迹进行调节，可选的，还可以根据路况(平路或上、下坡)进行调整，生成上、下坡的足底摆动轨迹。足底摆动轨迹生成后，对轨迹进行控制，本方法能根据实际情况对摆动轨迹进行调整。
对于一个完整的足底摆动轨迹，本发明可以将足底摆动轨迹分为如下四个相位，如图4所示，可以通过关节摆动时间和关节摆动的角度(α1、α2)来对各相位进行控制。
相位1，预摆动阶段：膝关节屈曲和髋关节过伸，脚尚未离起始地，设为A点。该阶段中，髋关节和膝关节进一步做弯曲运动，脚尚未离地，A点为步长的起始点。
预摆动阶段，时间T1较短，可以设置为整个步长所用时间的10％，即摆动腿按照足底摆动轨迹摆动了预定时间T1后，切换至相位2。也可以通过腿部摆动角度来控制，当髋关节摆动至第一髋关节预设角度值，并且膝关节摆动至第一膝关节预设角度值时，驱动摆动腿由相位1向相位2切换。例如，当髋关节运动至-10°、膝关节运动至-40°时进行相位切换，负号表示此阶段大腿和小腿均是向后(-x方向)弯曲的。该时间和角度可以按实际情况进行调整，应用时可设置计时模块或在关节处设置角度检测模块分别检测摆动时间和摆动角度。本发明实施例还可以同时对摆动的时间和摆动角度进行控制，即在预定时间内髋关节摆动至第一髋关节预设角度值，且膝关节摆动至第一膝关节预设角度值时，驱动摆动腿由相位1向相位2切换。例如，当需要提高步行速度时，可以控制摆动腿在较短的时间内达到预设角度值，下文中均可以按照此原理做相应的设置，从而可以实现对步行速度的控制。
相位2，脚离地阶段：脚抬离所述A点，并摆动至最大高度处，设为B点。本阶段，摆动腿离地并摆动至最高点，脚底轨迹为平滑的曲线，可以采用样条曲线(第一样条曲线)进行拟合。具体的，采用样条曲线连接A点和B点，再利用滤波器进行轨迹平滑，得到AB阶段的足底摆动轨迹，其中，样条曲线包括但不限于一次曲线、二次曲线。本实施例中，可通过设置该阶段耗时T2来进行相位的控制，例如T2设置为整个步长所用时间的30-50％，即摆动腿按照足底摆动轨迹摆动了预定时间T2后，切换至相位3。也可以通过腿部摆动角度来控制，例如，当足尖与髋关节支点的连线垂直于地面的时候，此时会达到步态中的最大步高，可以根据该约束条件分别计算出髋关节和膝关节的角度，由此可以通过检测髋关节和膝关节的摆动角度来控制相位，当角度达到预设的条件时认为脚离地阶段完成，步态相位切换到相位3。
相位3，脚伸展阶段：脚向前伸展至膝关节的展开角度达到预设的阈值，设此时脚的位置为C点。本阶段，当膝关节摆动至第二膝关节预设角度值时，驱动摆动腿由相位3向相位4切换。脚底轨迹为平滑的曲线，可以采用样条曲线(第二样条曲线)进行拟合。方法同上，不再赘述。本实施例中，可通过设置该阶段耗时T3来进行相位的控制，例如T3设置为整个步长所用时间的40-50％，即摆动腿按照足底摆动轨迹摆动了预定时间T3后，切换至相位4。也可以通过腿部摆动角度或当前步长来控制，处于相位3时，髋关节处于向前摆动的最大角度的状态，若膝关节同时展开至最大角度(第二膝关节预设角度值)时，步态相位则切换到相位4。优选的，膝关节展开至最大预设角度时往回摆5°再切换步态，防止膝关节过渡伸展。还可以通过检测当前步长来进行切换，若当前步长已达到预设步长值时，驱动摆动腿由相位3向相位4切换。
相位4，脚落地阶段：脚由所述C点落至地面，设为D点。为实现平稳落地，对C点的髋关节和膝关节角度进行微调，使得落地阶段呈现脚后跟先着地的平稳姿态。可以采用样条曲线(第三样条曲线)对CD段进行拟合。方法同上，不再赘述。本实施例中，可通过设置该阶段耗时T4来进行相位的控制，例如T4设置为整个步长所用时间的5％，即摆动腿按照足底摆动轨迹摆动了预定时间T3后，脚实现落地。也可以通过腿部摆动角度来控制，例如，当大腿随髋关节相对C点保持摆动角度不变，并且膝关节相比最大预设角度(展开角度)往回摆7°，即比C点再回摆2°，然后调整人体重心使摆动腿自然落地。可通过检测脚底的压力大小来判断是否落地。
图中，A点至D点的距离为步长，B点的高度为所述步高；T1+T2+T3+T4＝T，T为预设的步频，步频为完成一个完整的步态所需的步行时间。
本发明实施例中，基于规划的足底摆动轨迹及步态相位，可以通过腿部摆动的时间来控制步态相位的切换，并通过控制髋关节和膝关节的摆动角度阈值来控制足底摆动轨迹和辅助控制各相位的切换。足底摆动轨迹是根据人体运动规律，并考虑了个体和环境的差异性，能根据实际情况对步态轨迹进行调整。
本发明还提供了一种外骨骼机器人控制***的实施例，如图5所示，包括：设置模块10，用于设置步长、步高。足底步态轨迹计算模块20，用于根据所述步长和步高，采用样条曲线拟合生成摆动腿的足底摆动轨迹。关节角度计算模块30，用于根据所述足底摆动轨迹，采用三角函数关系计算所述摆动腿的髋关节摆动角度和膝关节摆动角度。摆动腿步态控制模块40，用于按照髋关节摆动角度和膝关节摆动角度控制外骨骼机器人执行步行动作。
基于上述外骨骼机器人控制***，本发明实施例还提供了一种外骨骼机器人，包括腰部、通过髋关节与所述腰部连接的大腿部、通过膝关节与所述大腿部连接的小腿部，以及通过踝关节与所述小腿部连接的脚部；所述髋关节和所述膝关节设置有驱动机构，用于控制所述大腿部和所述小腿部的摆动；所述外骨骼机器人装载有如上所述的外骨骼机器人控制***，用于控制所述驱动机构运动。
除了上述方法和设备以外，本申请的实施例还可以是计算机程序产品，其包括计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种实施例的步态控制方法中的步骤。
所述计算机程序产品可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本申请实施例操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言，诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。
此外，本申请的实施例还可以是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令在被处理器运行时使得所述处理器执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本申请各种实施例的测试方法中的步骤。
所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。
本申请中涉及的器件、装置、设备、***的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、***。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“如但不限于”，且可与其互换使用。
还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种外骨骼机器人的步态控制方法，其特征在于，包括：
设置步长、步高；其中，所述步长和所述步高均根据用户的身高、年龄和性别，以及用户当前所处的路况进行设置；
根据所述步长和所述步高，采用样条曲线拟合生成摆动腿的足底摆动轨迹；
根据所述足底摆动轨迹，采用三角函数关系计算所述摆动腿的髋关节摆动角度和膝关节摆动角度，并控制摆动腿按照计算的角度执行步行动作；
其中，所述足底摆动轨迹包括如下四个相位：
相位1，预摆动阶段：膝关节屈曲和髋关节过伸，脚尚未离起始地，设为A点；
相位2，脚离地阶段：脚抬离所述A点，并摆动至最大高度处，设为B点；
相位3，脚伸展阶段：脚向前伸展至膝关节的展开角度达到预设的阈值，设此时脚的位置为C点；
相位4，脚落地阶段：脚由所述C点落至地面，设为D点；
其中，所述A点至所述D点的距离为所述步长，所述B点的高度为所述步高；轨迹AB采用第一样条曲线拟合；轨迹BC采用第二样条曲线拟合；轨迹CD采用第三样条曲线拟合；
其中，所述控制摆动腿按照计算的角度执行步行动作，包括：
检测所述髋关节的摆动角度和所述膝关节的摆动角度，当髋关节摆动至第一髋关节预设角度值，并且膝关节摆动至第一膝关节预设角度值时，驱动摆动腿由相位1向相位2切换；
检测所述髋关节和膝关节的摆动角度，当所述髋关节摆动至与足尖的连线垂直于地面时，驱动摆动腿由相位2向相位3切换；
检测所述膝关节的摆动角度或当前步长，当所述膝关节摆动至第二膝关节预设角度值时，或当前步长已达到预设步长值时，驱动摆动腿由相位3向相位4切换。
2.如权利要求1所述的外骨骼机器人的步态控制方法，其特征在于，设置步频T，所述步频为完成一个完整的摆动步态所需的步行时间；
所述控制摆动腿按照所述足底摆动轨迹执行步行动作，还包括：
设置初始态运动至相位1的时间T1；
设置相位1运动至相位2的时间T2；
设置相位2运动至相位3的时间T3；
设置相位3运动至相位4的时间T4；
按照上述时间控制所述摆动腿在所述足底摆动轨迹上运动；
其中T1+T2+T3+T4＝T。
3.一种外骨骼机器人控制***，其特征在于，应用于如权利要求1或2所述的外骨骼机器人的步态控制方法；所述外骨骼机器人控制***包括：
设置模块，用于设置步长、步高；其中，所述步长和所述步高均根据用户的身高、年龄和性别，以及用户当前所处的路况进行设置；
足底摆动轨迹计算模块，用于根据所述步长和所述步高，采用样条曲线拟合生成摆动腿的足底摆动轨迹；
关节角度计算模块，用于根据所述足底摆动轨迹，采用三角函数关系计算所述摆动腿的髋关节摆动角度和膝关摆动角度；
摆动腿摆动控制模块，用于按照髋关节摆动角度和膝关摆动角度控制外骨骼机器人执行步行动作；
其中，所述足底摆动轨迹包括如下四个相位：
相位1，预摆动阶段：膝关节屈曲和髋关节过伸，脚尚未离起始地，设为A点；
相位2，脚离地阶段：脚抬离所述A点，并摆动至最大高度处，设为B点；
相位3，脚伸展阶段：脚向前伸展至膝关节的展开角度达到预设的阈值，设此时脚的位置为C点；
相位4，脚落地阶段：脚由所述C点落至地面，设为D点；
其中，所述A点至所述D点的距离为所述步长，所述B点的高度为所述步高；轨迹AB采用第一样条曲线拟合；轨迹BC采用第二样条曲线拟合；轨迹CD采用第三样条曲线拟合；
其中，所述摆动腿摆动控制模块具体用于：
检测所述髋关节的摆动角度和所述膝关节的摆动角度，当髋关节摆动至第一髋关节预设角度值，并且膝关节摆动至第一膝关节预设角度值时，驱动摆动腿由相位1向相位2切换；
检测所述髋关节和膝关节的摆动角度，当所述髋关节摆动至与足尖的连线垂直于地面时，驱动摆动腿由相位2向相位3切换；
检测所述膝关节的摆动角度或当前步长，当所述膝关节摆动至第二膝关节预设角度值时，或当前步长已达到预设步长值时，驱动摆动腿由相位3向相位4切换。
4.一种外骨骼机器人，其特征在于，包括腰部、通过髋关节与所述腰部连接的大腿部、通过膝关节与所述大腿部连接的小腿部，以及通过踝关节与所述小腿部连接的脚部；
所述髋关节和所述膝关节设置有驱动机构，用于控制所述大腿部和所述小腿部的摆动；
所述外骨骼机器人装载有如权利要求3所述的外骨骼机器人控制***，用于控制所述驱动机构运动。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括一组计算机可执行指令，当所述计算机可执行指令被执行时执行如权利要求1或2所述的外骨骼机器人的步态控制方法。
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