CN112405503A

CN112405503A - 一种基于位置误差特征的助行辅助设备及其助行方法

Info

Publication number: CN112405503A
Application number: CN202011382355.3A
Authority: CN
Inventors: 杨有
Original assignee: Jiangsu Hengyi Yunkong Intelligent Equipment Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Hengyi Yunkong Intelligent Equipment Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2021-02-26

Abstract

本发明公开了一种基于位置误差特征的助行辅助设备及其助行方法，涉及助力外骨骼技术领域。本发明获取角度传感器读数值，计算左右腿传感器差值；判断所述差值是否达到最值；检测到最值，并生成以差值最大值和最小值为参考的助力曲线；根据所述的助力曲线施加通过转子电机施加助力，接收角度传感器的反馈信号，根据反馈信号实时调整施加的助力。本发明专利利用人体行走时的周期性和对称性，建立以位置误差与输出力之间的映射关系，更准确的感知用户行走所需要的助力，使用户在不同的步幅和周期下，依然不会因为速度波动而造成助力紊乱。

Description

一种基于位置误差特征的助行辅助设备及其助行方法

技术领域

本发明属于助力外骨骼技术领域，特别是涉及一种基于位置误差特征的助行辅助设备及其助行方法。

背景技术

目前针对髋关节（大腿）进行助力的主要技术方案如下：1、通过脚底安装薄膜压力传感器，结合腿部陀螺仪或髋关节角度传感器，预估行走意图，通过电动执行机构，如电动机、推杆、钢丝绳等，提供一定的助力，例如，哈佛柔性外骨骼，将摆动腿着地点作为助力启动点，提供一定时间的助力，并以该点为助力启动点，助力时间大约为行走周期的30%；2、通过卡尔曼滤波器对安装在腿部的姿态传感器轨迹进行预估判断，并根据预估值施加合适的助力；3、通过安装在腿部的传感器速度窗口进行判断，若速度大于窗口值，则根据速度方向提供助力，例如，谷林电器（深圳）有限公司的助行外骨骼，通过腿部带动外骨骼旋转关节转动并产生位置信号，通过位置信号的变化率，即速度判断是否施加助力；4、通过安装在腿部的姿态传感器，采集行走位置、速度和行走周期，对位置和速度进行预估判断，并通过查表或插补曲线生成助力，例如，Honda助行外骨骼设备，通过穿戴者与设备的相互作用，产生位置、速度、行走周期，通过预先规划好的轨迹生成期望的转矩，最后通过一个相位振荡器（即对行走周期的变换处理），将助力输出到外骨骼；5、Samsung助行外骨骼GEMS，通过对双腿行走位置差进行延时、滤波以及归一化处理，最后乘以电流系数，得到助力值。

以上这几种现有技术或多或少存在着以下几个方面的问题：（1）通过判断着地时间点作为摆动腿或支撑腿助力启动的参考依据，需要预估行走周期，助力时间严重依赖该预估周期值，当行走速度变化或行走姿态变化，则外骨骼产生的助力将与穿戴者意图不匹配。同时，由于其提供的助力未考虑到步幅，将会存在某些步幅区间内无助力，导致助力感受不连贯，影响正常行走；（2）由于人体和外骨骼之间存在相互作用力，并且行走轨迹呈现非线性特性，采用预估周期或者轨迹，都可能存在预估不准确，这将降低预估或窗口判断的准确性，进而影响穿戴体验；（3）对位置差进行滤波和延时处理，需要选择合适的延时时间参数，不同的行走周期以及不同的穿戴者的延时时间参数不尽相同，速度适应和穿戴适应不好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于位置误差特征的助行辅助设备及其助行方法，以解决上述背景技术中提到的现有的技术问题：现有的助力外骨骼***力感较差，导致用户体验度较差的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种基于位置误差特征的助行辅助设备，包括背包主体，其特征在于：所述背包主体的内部固定有电源模块和控制模块，所述背包主体的两端均固定有连接柱，所述连接柱远离背包主体的一端固定有电机放置壳；所述电机放置壳的内部固定有转子电机，所述转子电机内带有角度传感器，所述转子电机的输出端连接有第一摆臂，所述第一摆臂的底部转动连接有第二摆臂；所述电源模块与控制模块、转子电机电性连接，控制模块与转子电机电性连接；所述第二摆臂的底部铰接有腿部挡块。

优选的，所述背包主体的内侧装配有用于固定电源模块的密封盖。

优选的，所述电机放置壳的一端且位于第一摆臂的外侧固定有防护壳。

优选的，所述第一摆臂为L形。

优选的，所述电机放置壳的顶部固定有支撑架，且所述支撑架的一端与连接柱连接。

优选的，所述第二摆臂的底部固定有球体，所述腿部挡块的一侧固定有固定壳，所述球***于所述固定壳内部，且所述固定壳的内部开设有连接孔，所述固定壳与腿部挡块通过螺钉贯穿连接孔固定。

优选的，所述转子电机与第一摆臂之间还设置有一速比为6的减速机。

一种基于位置误差特征的助行方法，步骤如下：

获取角度传感器读数值，计算左右腿传感器差值；

判断所述差值是否达到最值；

检测到最值，并生成以差值最大值和最小值为参考的助力曲线；

根据所述的助力曲线施加通过转子电机施加助力，

接收角度传感器的反馈信号，根据反馈信号实时调整施加的助力。

进一步的，上述中，获取角度传感器读数值，计算左右腿传感器差值，主要包括：角度传感器的读数值依次送入队列传输给控制模块，每10ms进行一次出队和入队操作。

进一步可选的，所述的助力曲线为正/余弦曲线、梯形轮廓曲线、3次方曲线和5次方曲线其中任意一种。

本发明具有以下有益效果：

本发明专利利用人体行走时的周期性和对称性，建立以位置误差与输出力之间的映射关系，更准确的感知用户行走所需要的助力，使用户在不同的步幅和周期下，依然不会因为速度波动而造成助力紊乱。

第一方面，本发明充分利用行走的对称性特征，即左右腿在行走时摆动幅度的差值对称（无论平地行走、上楼梯还是下楼梯，左右腿的角度几乎是对称的），无需预估行走轨迹，避免预估错误或预估不准确造成助力不匹配。

第二方面，本发明专利能够适应不同的地形，例如平地行走、上/下楼梯、上/下坡。

第三方面，本发明专利以位置为参考，不受行走周期的影响，即不受步速影响，能够适应不同的行走速度。

第四方面，本发明专利采用穿戴者的位置作为实时反馈依据，能够快速有效的匹配穿戴者的步行节奏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体的结构示意图；

图2为本发明整体的后视图；

图3为本发明固定壳与腿部挡块的连接结构示意图；

图4为本发明转子电机与电机放置壳的连接结构示意图；

图5为人体行走示意图；

图6为人体行走时的摆动位置图；

图7为本发明采用正/余弦曲线生成的函数图；

图8为本发明采用采用梯形轮廓曲线生成的函数图；

图9为本发明的执行流程图；

图10为本发明左右腿平地行走的轨迹曲线和助力曲线；

图11为本发明上楼时的轨迹曲线和助力曲线；

图12为本发明下楼时的轨迹曲线和助力曲线。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、背包主体；2、密封盖；3、连接柱；4、电机放置壳；5、防护壳；6、第一摆臂；7、第二摆臂；8、腿部挡块；9、支撑架；10、固定壳；11、转子电机；12、球体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1-4所示，本发明为一种基于位置误差特征的助行辅助设备，包括背包主体1，背包主体1的内侧装配有用于固定电源模块的密封盖2，背包主体1的两端均固定有连接柱3，连接柱3远离背包主体1的一端固定有电机放置壳4，电机放置壳4的顶部固定有支撑架9，且支撑架9的一端与连接柱3连接，电机放置壳4的内部固定有转子电机11；

背包主体1的内部固定有电源模块，电源模块与转子电机11电性连接，转子电机11的输出端通过花键连接有L形的第一摆臂6，电机放置壳4的一端且位于第一摆臂6的外侧固定有防护壳5；

在此，转子电机11与第一摆臂6之间还设置有一速比为6的减速机，用以防止转速过快。

且，在此，转子电机11内带有角度传感器。

背包主体1的内部还固定有控制模块，控制模块与电源模块、转子电机11电性连接。

在此，控制模块优选为pcb集成电路板。

第一摆臂6的底部转动连接有第二摆臂7，第一摆臂6的内部固定有销轴，第二摆臂7的顶部开设有圆形孔，第一摆臂6与第二摆臂7通过销轴与圆形孔转动连接；

第一摆臂6可以可以前后摆动，第二摆臂7可以左右摆动。

第二摆臂7的底部固定有球体12，球体12的外侧球铰连接有腿部挡块8，腿部挡块8的一侧且位于球体12的外侧固定有固定壳10，固定壳10的内部开设有连接孔，固定壳10与腿部挡块8通过螺钉贯穿连接孔固定。

在此，通过转子电机11输出力通过第一摆臂6带动摆臂2前后摆动，进而带动腿部运动，起到辅助行走的作用。

实施例2：

在上述实施例1的基础上，公开该设备的助行方法：

首先，对人体行走时的特性进行分析；

如图5所示，设垂直朝下的虚线为零点参考线，以该零点线为参考，朝正前方摆动腿记为正值，朝背后摆动腿记为负值。

下列为各变量的注释:

：左脚位置；

：右脚位置；

：左脚位置减去右脚位置的差值，则

；

：右脚位置减去左脚位置的差值，则

；

：最大位置；

：最小位置；

：左脚与右脚差值的最大值；则

；

：左脚与右脚差值的最小值，则

；

：右脚速度减去左脚速度的差值；

：右脚速度减去左脚速度的差值；

:助力设备输出到右脚扭矩；

:助力设备输出到左脚扭矩。

由于人体行走具有对称性，即一个行走周期中左右脚的摆动最大位置或最小位置几乎相等。

如图6所示，L1代表左脚摆动位置，L2代表左脚位置减去右脚位置；L3代表右脚摆动位置，L4表示右脚位置减去左脚位置。

如图6所示，t1时刻右脚向前摆动到最大位置

，左脚则向后摆动到

，此时左脚减去右脚的差值

达到位置差值的最小值

；右脚减去左脚的差值

则达到位置差值的最大值

,且

。

按照人体行走的周期性和对称性，在t1时刻摆动腿为最小位置的左腿，到t2时刻将摆动到最大位置；同样，t1时刻摆动腿为最大值的右腿，到t2时刻将摆动到最小位置。并且，在t1时刻可以获得最大位置差和最小位置差。若摆动角度无太大变化，则在t2时时刻，位置误差的最大值

和位置误差的最小值

基本保持不变。所以，在t1时刻时，我们就可以得到t2时刻的位置误差最大/最小值。即t1时刻差值为

，则到t2时刻差值则为

，且由于行走位置不可能出现阶跃变化，这样就可以建立以位置误差与输出力之间的映射关系。

如图7所示，在误差最大和最小位置值时，助力为0.从误差最小位置摆动到误差最大位置时，施加正向推力，协助大腿进行摆动；从误差最大值摆动到误差最小值时，则施加反向推力（正向推力为摆动正方向，反向推力为摆动负方向）。

实际执行过程中可以采用多种方式建立位置和输出力之间的关系，这里我们推荐2种方法作为参考。

方法1、采用正/余弦曲线（如图7）：

对摆动角度差值的最大值

和摆动角度差值的最小值

按照一定的比例进行缩放，将其变换到-90度到+90度之间（这里以右脚为说明）。

当右脚从

摆动到最小值

时，若

时，取

，助力设备输出的辅助力为：

当右脚从最小值

摆动到最大值

时，若

时，取

，助力设备输出的辅助力为：

式中：k角度缩放比例；

助力斜率。

方法2、采用梯形轮廓曲线（如图8），这里以右脚为说明：

当右脚从

摆动到最小值

时，助力设备协助腿部输出向后的支撑力。

（1）当

>0时：

（2）当

<=0时：

（3）当

<

时：

当右脚从最小值

摆动到最大值

时，助力设备输出向前的支撑力。

（1）当

>0时：

（2）当

<=0时：

（3）

>

时：

式中：

助力斜率。

同样，也可采用其它助力曲线生成函数。例如，3次方曲线、5次方曲线等，可以进一步使助力曲线更加平滑。

然后，参照图9的流程图对具体实施流程进行分析：

步骤S101，上电，初始化。即为打开电源模块的开关。

步骤S102，获取角度传感器读数值，计算左右腿上角度传感器的差值。

在此，角度传感器的读数值依次送入队列传输给控制模块，每10ms进行一次出队和入队操作。

步骤S103，判断所述差值是否达到最值。

在此，通过判断队列中的数据查找误差最值，当队列中间值均大于（小于）或等于左右两边的值，且大于（小于）设定窗口值，则找到误差的最小值。

步骤S104，检测到最值。

步骤S105，生成生成以差值最大值和最小值为参考的助力曲线。

***根据用户所处的位置生成以角度为参考的助力曲线。由于角度差的最值具有对称性，在找到误差最小值的时候已经知道未来的最大值，规划设定力曲线，建立位置和力之间的关系。

当摆动腿从支撑状态转换为摆动状态，并从最小位置朝正前方摆动到最大位置时，输出力值从0逐渐增加到最大，辅助腿部朝前摆动，当摆动腿快到最大值时，助力曲线迅速降低到0。即摆动或支撑时，迅速输出与摆动或支撑方向一致的力，摆动或支撑快结束时，助力立即降低到0，以避免产生阻碍力，造成助力与穿戴者步匹配。

步骤S106，根据所述的助力曲线施加助力。

根据建立的位置和力之间的关系生成所述转子电机11的驱动信号；其中，所述驱动信号包括速度信号和位置信号；

在运动过程中，接收角度传感器的反馈信号，根据反馈信号实时调整所述的驱动信号，直至所述反馈信号与所述施力信号或所述驱动信号相匹配。具体的，计算获得所述位置反馈信号与所述驱动信号的差值，根据所述差值调整所述驱动信号，直至所述负载的所述位置反馈信号与所述驱动信号相同，以实时调整施加的助力。

摆动腿从支撑状态转换为摆动状态，并从最小位置朝正前方摆动到最大位置时，输出力值从0逐渐增加到最大，辅助腿部朝前摆动，当摆动腿快到最大值时，助力曲线迅速降低到0。即摆动或支撑时，迅速输出与摆动或支撑方向一致的力，摆动或支撑快结束时，助力立即降低到0，以避免产生阻碍力，造成助力与穿戴者步匹配。

施加助力时若差值变化率

、

存在以下两种情形：

若差值变化率在0点位置附近时，数值小于窗口值并持续一段时间；若差值变化率与助力方向不一致，且持续一段时间，那么助力值设置为0。重新回到步骤S102。

步骤S107，检测是否达到最值，并且更新最值，则程序回到步骤S105中去。

本发明专利对三种情形进行了实验分析，并给出了具体的实验图。实验中采用梯形轮廓助力曲线，进行加载，并将助力曲线缩放到-100到100范围内。100表示最大正向输出力，-100表示负向最大输出力。

情形一：平地行走

如图10所示，为左右腿平地行走的轨迹曲线和助力曲线。Left_P_F中L6代表左脚位置，纵轴表示角度，单位度，横轴表示采样时间，单位为10ms。Left_P_F中L5代表左脚助力输出百分比，横轴表示采样时间，单位为10ms。同样，Right_P_F中L8表示右脚行走轨迹，L7表示右脚助力曲线。

由图10可以看出，随着L6从最小值过渡到最大值（即摆动腿从支撑状态转换为摆动状态，并从最小位置朝正前方摆动到最大位置）。此时，L5输出力值从0逐渐增加到最大，辅助腿部朝前摆动，当摆动腿快到最大值时，即L6快到最大值时，L5（助力曲线）迅速降低到0.同样，当L6从最大值过渡到最小值，即摆动转换为支撑状态，支撑腿从最大位置支撑到最小位置，L5迅速输出反向的助力值，直到反向最大值，当支撑块结束时，助力值迅速切换到0。然后进入下一个行走周期。有L5和L6关系，表明该方案与行走状态非常匹配，即摆动或支撑时，迅速输出与摆动或支撑方向一致的力，摆动或支撑快结束时，助力立即降低到0，以避免产生阻碍力，造成助力与穿戴者步匹配。

情形二：上楼（图11）

具体受力参考情形一和图11，不再赘述。

情形三：下楼（图12）

具体受力参考情形一和图12，不再赘述。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于位置误差特征的助行辅助设备，包括背包主体（1），其特征在于：所述背包主体（1）的内部固定有电源模块和控制模块，所述背包主体（1）的两端均固定有连接柱（3），所述连接柱（3）远离背包主体（1）的一端固定有电机放置壳（4）；所述电机放置壳（4）的内部固定有转子电机（11），所述转子电机（11）内带有角度传感器，所述转子电机（11）的输出端连接有第一摆臂（6），所述第一摆臂（6）的底部转动连接有第二摆臂（7）；所述电源模块与控制模块、转子电机（11）电性连接，控制模块与转子电机（11）电性连接；所述第二摆臂（7）的底部铰接有腿部挡块（8）。

2.根据权利要求1所述的一种基于位置误差特征的助行辅助设备，其特征在于，所述背包主体（1）的内侧装配有用于固定电源模块的密封盖（2）。

3.根据权利要求1所述的一种基于位置误差特征的助行辅助设备，其特征在于，所述电机放置壳（4）的一端且位于第一摆臂（6）的外侧固定有防护壳（5）。

4.根据权利要求1所述的一种基于位置误差特征的助行辅助设备，其特征在于，所述第一摆臂（6）为L形。

5.根据权利要求1所述的一种基于位置误差特征的助行辅助设备，其特征在于，所述电机放置壳（4）的顶部固定有支撑架（9），且所述支撑架（9）的一端与连接柱（3）连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于位置误差特征的助行辅助设备，其特征在于，所述第二摆臂（7）的底部固定有球体（12），所述腿部挡块（8）的一侧固定有固定壳（10），所述球体（12）位于所述固定壳（10）内部，且所述固定壳（10）的内部开设有连接孔，所述固定壳（10）与腿部挡块（8）通过螺钉贯穿连接孔固定。

7.根据权利要求1所述的一种基于位置误差特征的助行辅助设备，其特征在于，所述转子电机（11）与第一摆臂（6）之间还设置有一速比为6的减速机。

8.一种基于位置误差特征的助行方法，其特征在于，步骤如下：

获取角度传感器读数值，计算左右腿传感器差值；

判断所述差值是否达到最值；

根据所述的助力曲线施加通过转子电机（11）施加助力，

9.根据权利要求8所述的方法，其中，获取角度传感器读数值，计算左右腿传感器差值，主要包括：角度传感器的读数值依次送入队列传输给控制模块，每10ms进行一次出队和入队操作。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述的助力曲线为正/余弦曲线、梯形轮廓曲线、3次方曲线和5次方曲线其中任意一种。