CN111568700A - 一种下肢穿戴式机器人步态控制方法、装置和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种下肢穿戴式机器人步态控制方法、装置和设备，方法包括：获取下肢穿戴式机器人与地面交互力信息和关节角度信息；根据所述地面交互力信息和所述关节角度位置信息判断下一个步态相位；将所述关节角度带入下一个步态相位对应关节力矩模型计算出关节控制信号，对所述下肢穿戴式机器人进行力矩控制。本发明通过下肢穿戴式机器人与地面交互力信息和关节角度信息判断下一个步态相位，地面交互力信息和关节角度信息可通过传感器采集，成本低，根据不同步态相位对应关节力矩模型计算控制信号，控制方法简单。

Description

一种下肢穿戴式机器人步态控制方法、装置和设备
技术领域
本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种下肢穿戴式机器人步态控制方法、装置和设备。
背景技术
目前，随着机器人技术的发展，包括穿戴式外骨骼、假肢等智能化的下肢穿戴式机器人得到快速发展。下肢穿戴式机器人的步态识别及控制是下肢穿戴式机器人得到实际应用的关键问题之一。现有的步态识别及控制主要基于肌肉电信号进行，成本较高。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种下肢穿戴式机器人步态控制方法，能够降低步态识别所需的硬件成本。
本发明还提出一种下肢穿戴式机器人步态控制装置。
本发明还提出一种下肢穿戴式机器人步态控制设备。
本发明还提出一种计算机可读存储介质。
第一方面，本发明的一个实施例提供了一种下肢穿戴式机器人步态控制方法，包括：
获取下肢穿戴式机器人与地面交互力信息和关节角度信息，所述的关节角度信息包括踝关节角度、膝关节角度及髋关节角度中的一种或多种；
根据所述地面交互力信息和所述关节角度位置信息判断下一个步态相位；
将所述关节角度带入下一个步态相位对应关节力矩模型计算出关节控制信号，对所述下肢穿戴式机器人进行力矩控制。
进一步地，所述下一个步态相位切换由沿小腿垂直向上的力和踝关节角度是否超过阈值所决定。
进一步地，其特征在于，所述步态相位包括支撑前期、支撑中期、支撑后期、向后摆动期和向前摆动期，所述支撑前期可切换至所述支撑中期或所述支撑后期或所述向后摆动期和所述向前摆动期，所述支撑中期可切换至所述支撑后期或所述向后摆动期。
第二方面，本发明的一个实施例提供了一种下肢穿戴式机器人步态控制装置，包括：
信息采集单元，用于获取下肢穿戴式机器人与地面交互力信息和关节角度信息；
步态相位判断单元，用于根据所述地面交互力信息和所述关节角度位置信息判断下一个步态相位；
步态控制单元，用于根据将所述关节角度带入下一个步态相位对应关节力矩模型计算出关节控制信号，对所述下肢穿戴式机器人进行力矩控制。
进一步地，所述步态相位判断单元，根据沿小腿垂直向上的力和踝关节角度是否超过阈值判断下一个步态相位。
进一步地，所述地面交互力信息由力传感器检测，所述力传感器包括单轴力传感器和/或多维力传感器。
第一步地，所述关节角度信息包括踝关节角度和膝关节角度，由惯性传感器和/或角度传感器和/或编码器进行检测。
第三方面，本发明的一个实施例提供了一种下肢穿戴式机器人步态控制设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器，以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的一种下肢穿戴式机器人步态控制方法。
第四方面，本发明的一个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行所述的一种下肢穿戴式机器人步态控制方法。
本发明实施例的一种下肢穿戴式机器人步态控制方法至少具有如下有益效果：通过下肢穿戴式机器人与地面交互力信息和关节角度信息判断下一个步态相位，地面交互力信息和关节角度信息可通过传感器采集，成本低，根据不同步态相位对应关节力矩模型计算控制信号，控制方法简单。
附图说明
图1是本发明实施例中一种下肢穿戴式机器人步态控制方法的一具体实施例流程示意图；
图2是本发明实施例中一种下肢穿戴式机器人步态控制方法的一具体实施例人体行走坐标方向定义示意图；
图3是本发明实施例中一种下肢穿戴式机器人步态控制方法的一具体实施例步态相位划分示意图；
图4是是本发明实施例中一种下肢穿戴式机器人步态控制方法的一具体实施例步态相位切换示意图；
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。
在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
参照图1，示出了本发明实施例中一种下肢穿戴式机器人步态控制方法的流程示意图。
其具体包括步骤：
S100，获取下肢穿戴式机器人与地面交互力信息和关节角度信息，所述的关节角度信息包括踝关节角度、膝关节角度及髋关节角度中的一种或多种；
S200，根据所述地面交互力信息和所述关节角度位置信息判断下一个步态相位；
S300，将所述关节角度带入下一个步态相位对应关节力矩模型计算出关节控制信号，对所述下肢穿戴式机器人进行力矩控制。
本发明实施例通过下肢穿戴式机器人与地面交互力信息和关节角度信息判断下一个步态相位，地面交互力信息和关节角度信息可通过传感器采集，成本低，根据不同步态相位对应关节力矩模型计算控制信号，控制方法简单。
如图2和图3所示，具体地，人体步态是指人体从一侧腿脚后跟着地到下一次该侧腿脚后跟着地的一步周期之内对应的步态事件。若一步周期为100％，人体步态关键事件相位的百分比分别为：脚跟触地0％、对侧腿离地10％、脚后跟抬起30％、对侧腿脚跟离地50％、脚趾离地60％、后摆腿73％、胫骨垂直地面87％、下一步脚跟着地100％。
力坐标系定义为：人体步态向前行走，脚接触地面，沿着脚背方向向前，力方向为Fx,沿着小腿垂直Fx向上，力的方向为Fz。当小腿和脚背为直角时，定义为踝关节初始零度角θ，脚背往上运动时，θ为正值方向(θ+)，脚背往下运动时，θ为负值方向；当小腿和大腿为直线时，定义为膝关节初始零度角β，膝关节向后摆动时，β为正值方向(β+)，膝关节向前摆动时，β为负值方向。
利用获取下肢穿戴式机器人与地面交互力信息和关节角度信息将步态划分为5个相位，包括S0支撑前期、S1支撑中期、S2支撑后期、S3向后摆动期和S4向前摆动期。
支撑前期、支撑中期、支撑后期为支撑相，开始于脚跟触地(0％)，结束于脚趾离地(60％)。脚跟触地(0％)时，力传感器信号突然变大划分为支持前期(Fz>A1,A1为力阈值)，对侧腿离地(10％)时力传感器变化到特定值划分为支撑中期(Fz>A2,A2为力阈值)，对侧腿脚跟离地(50％)时穿机器人的踝关节角度变为特定值(θ>B1，B1为踝关节角度阈值)，脚趾离地(60％)时力传感器信号突然变小(Fz<A3,A3为力阈值)，此时为支撑后期。
摆动相开始于脚趾离地(60％)，先往后摆腿，进入向后摆动期，然后往前摆腿，进入向前摆动期，结束于下一步脚跟着地(100％)。向后摆动期脚趾离地(60％)时力传感器信号突然变小，往后摆腿到弯曲最大，关节角度传感器检测的角度也为最大(β>B2，B1为膝关节角度阈值)。脚跟着地(100％)时力传感器信号突然变大(Fz>A1,A1为力阈值)，又进入下一步态的检测。
参照图4，本实施例中步态的支撑期相位之间的转换不严格按照顺序进行，由于考虑到患者穿戴下肢穿戴式机器人时病变步态的存在，当机器人进入支撑前期后，根据阈值的条件，可切换为支撑中期(S0到S1)、支撑后期(S0到S2)或向后摆动期(S0到S3)。当机器人进入支撑中期后，根据阈值条件可切换为支撑后期(S1到S2)或向后摆动期(S1到S3)。
判断出下一个步态相位后，将所述关节角度带入下一个步态相位对应关节力矩模型计算出关节控制信号，对所述下肢穿戴式机器人进行力矩控制。
本实施例中关节力矩模型为弹簧阻尼模型，由阻抗控制法算出的关节力矩，并转换为关节电流或位置，对下肢穿戴式机器人进行力矩控制。
具体的，参考公式，
Figure BDA0002453066840000051
式中，T为关节力矩，k为关节刚度，θ为关节角度，θ0为关节初始角度，b为关节阻尼，
Figure BDA0002453066840000052
为关节角速度，G为摩檫力或惯性力补偿。
不同人体的不同步态相位对应的k关节刚度、θ0关节初始角度、b关节阻尼的值不同，可通过采集使用者的步态信息进行计算调试，有利于下肢穿戴式机器人根据不同病人进行个性化定制。
θ关节角度、
Figure BDA0002453066840000053
关节角速度，G摩擦力或惯性力补偿则由肢穿戴式机器人关节传感器测量得到。
本发明实施例基于下肢穿戴式机器人与地面交互力信息和关节角度信息进行步态识别，其中交互力信息和关节角度信息可通过传感器采集，与采集人体生物电的方式相比成本更低，不同步态对应不同参数的关节力矩模型，通过下一步态判断和交互力与关节角度信息计算出控制信号，控制方法简单，且参数可调。
本发明实施例使假肢、外骨骼等穿戴式机器人从原有的主动运动，变为单相位受控被动状态，保证了穿戴式机器人在病患身上穿戴的安全性。
本发明实施例还公开了一种下肢穿戴式机器人步态控制装置，包括：
信息采集单元，用于获取下肢穿戴式机器人与地面交互力信息和关节角度信息；
步态相位判断单元，用于根据所述地面交互力信息和所述关节角度位置信息判断下一个步态相位；
步态控制单元，用于根据将所述关节角度带入下一个步态相位对应关节力矩模型计算出关节控制信号，对所述下肢穿戴式机器人进行力矩控制。
进一步地，所述步态相位判断单元，根据沿小腿垂直向上的力和踝关节角度是否超过阈值判断下一个步态相位。
进一步地，所述地面交互力信息由力传感器检测，所述力传感器包括单轴力传感器和/或多维力传感器，安装于所述下肢穿戴机器人下端。
进一步地，所述关节角度信息包括踝关节角度和膝关节角度，由惯性传感器和/或角度传感器和/或编码器进行检测。
本发明实施例还公开了一种下肢穿戴式机器人步态控制设备，包括：
至少一个处理器，以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行所述的一种下肢穿戴式机器人步态控制方法。
本发明实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行所述的一种下肢穿戴式机器人步态控制方法。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.一种下肢穿戴式机器人步态控制方法，其特征在于，包括：
获取下肢穿戴式机器人与地面交互力信息和关节角度信息，所述的关节角度信息包括踝关节角度、膝关节角度及髋关节角度中的一种或多种；
根据所述地面交互力信息和所述关节角度位置信息判断下一个步态相位；
将所述关节角度带入下一个步态相位对应关节力矩模型计算出关节控制信号，对所述下肢穿戴式机器人进行力矩控制。
2.根据权利要求1所述的一种下肢穿戴式机器人步态控制方法，其特征在于，所述下一个步态相位切换由沿小腿垂直向上的力和踝关节角度是否超过阈值所决定。
3.根据权利要求2所述的一种下肢穿戴式机器人步态控制方法，其特征在于，所述步态相位包括支撑前期、支撑中期、支撑后期、向后摆动期和向前摆动期，所述支撑前期可切换至所述支撑中期或所述支撑后期或所述向后摆动期和所述向前摆动期，所述支撑中期可切换至所述支撑后期或所述向后摆动期。
4.一种下肢穿戴式机器人步态控制装置，其特征在于，包括：
信息采集单元，用于获取下肢穿戴式机器人与地面交互力信息和关节角度信息；
步态相位判断单元，用于根据所述地面交互力信息和所述关节角度位置信息判断下一个步态相位；
步态控制单元，用于根据将所述关节角度带入下一个步态相位对应关节力矩模型计算出关节控制信号，对所述下肢穿戴式机器人进行力矩控制。
5.根据权利要求4所述的一种下肢穿戴式机器人步态控制装置，其特征在于，所述步态相位判断单元，根据沿小腿垂直向上的力和踝关节角度是否超过阈值判断下一个步态相位。
6.根据权利要求4所述的一种下肢穿戴式机器人步态控制装置，其特征在于，所述地面交互力信息由力传感器检测，所述力传感器包括单轴力传感器和/或多维力传感器。
7.根据权利要求4所述的一种下肢穿戴式机器人步态控制装置，其特征在于，所述关节角度信息包括踝关节角度和膝关节角度，由惯性传感器和/或角度传感器和/或编码器进行检测。
8.一种下肢穿戴式机器人步态控制设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器，以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至3任一项所述的一种下肢穿戴式机器人步态控制方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至3任一项所述的一种下肢穿戴式机器人步态控制方法。
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