CN114469655B - 一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法与*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法，涉及机械外骨骼操控技术领域，包括步骤：根据下肢外骨骼各关节间的空间关系，以用户的髋部为基准坐标系构建运动学模型；基于步态运动过程中重心稳定原则，根据用户的步态参数规划运动学模型的足端轨迹；根据规划的足端轨迹，通过逆运动学分析获取各关节之间的角度调节信息；根据角度调节信息控制各关节处的电机实现下肢外骨骼的步态运动。本发明利用自主调节重心实现正常行走从竖直状态开始进行运动，使步态更加接近实际状态，解决现有技术需要先弯腿才能进行步态运动的反常规问题，从而更适合于下肢功能障碍者的康复治疗。

Description

一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法与***

技术领域

本发明涉及机械外骨骼操控技术领域，具体涉及一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法与***。

背景技术

下肢外骨骼机器人作为一种穿戴式机器人，能为人体提供支撑和助力助行等功能，并与穿戴者进行交互，从而增强人体的运动能力，具有明显的社会价值和经济价值。一方面，下肢外骨骼机器人能够通过辅助老年人，如辅助老年人行走、上下楼梯等活动，从而提高老年人的运动能力，为人口老龄化带来的养老社会问题提供有效缓解方案。另一方面，下肢外骨骼机器人还可以面向下肢功能障碍者等行动不便人群，为其提供一定的支撑帮助，通过后天的医疗康复运动，降低腿部肌肉过度萎缩造成的病情风险，加强下肢的康复运动，亦可促进行走能力的恢复。

然而，多功能步态规划，需与行走、上下楼梯过程中人们的步态相结合，使行走过程稳定且协调，规划结果直接影响下肢外骨骼机器人的辅助步行能力，具有一定的技术难度。

发明内容

为了更好的为老年人或者下肢功能障碍患者提供良好的行走助力帮助，本发明提出了一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法，包括步骤：

S1：根据下肢外骨骼各关节间的空间关系，以用户的髋部为基准坐标系构建运动学模型；

S2：基于步态运动过程中重心稳定原则，根据用户的步态参数规划运动学模型的足端轨迹；

S3：根据规划的足端轨迹，通过逆运动学分析获取各关节之间的角度调节信息；

S4：根据角度调节信息控制各关节处的电机实现下肢外骨骼的步态运动。

进一步地，所述S2步骤中，所述步态参数包括步长、步高、步态周期，所述运动模型在一个步态周期内包括支撑相和摆动相，支撑相和摆动相的周期相等。

进一步地，所述S2步骤中，重心稳定性原则为：下肢外骨骼在步态运动过程中，当步态周期处于支撑相时，用户在水平方向上的重心始终处于用户中心。

进一步地，所述S2步骤中，足端轨迹基于轨迹约束方程和五次多项式方程求得，其中所述轨迹约束方程包括，基于步长和步高的第一径向约束方程和第一垂向约束方程，在零冲击原则下基于速度和加速度的第二径向约束方程和第二垂向约束方程。

进一步地，所述足端轨迹可表示为如下公式：

式中，x和z为基准坐标下关节处的坐标，S为步长，T₀为步态周期，H为步高，t为一个步态周期内的时间。

进一步地，所述角度调节信息基于逆运动学分析可表示为如下公式：

式中，(p_x,p_z)为下肢外骨骼足端在基准坐标系中的空间坐标，θ₂为髋关节的角度调节信息，θ₃为膝关节的角度调节信息，L₂为用户小腿长度，L₃为用户大腿长度，s₃＝sinθ₃。

本发明还提出了一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划***，包括：

模型构建单元，用于根据下肢外骨骼各关节间的空间关系，以用户的髋部为基准坐标系构建运动学模型；

足迹规划单元，用于基于步态运动过程中重心稳定原则，根据用户的步态参数规划运动学模型的足端轨迹；

角度计算单元，用于根据规划的足端轨迹，通过逆运动学分析获取各关节之间的角度调节信息；

电机驱动单元，用于根据角度调节信息控制各关节处的电机实现下肢外骨骼的步态运动。

进一步地，所述足迹规划单元中，重心稳定性原则为：下肢外骨骼在步态运动过程中，当步态周期处于支撑相时，用户在水平方向上的重心始终处于用户中心。

进一步地，所述足端轨迹可表示为如下公式：

式中，x和z为基准坐标下关节处的坐标，S为步长，T₀为步态周期，H为步高，t为一个步态周期内的时间。

进一步地，所述角度计算单元中，角度调节信息基于逆运动学分析可表示为如下公式：

式中，(p_x,p_z)为下肢外骨骼足端在基准坐标系中的空间坐标，θ₂为髋关节的角度调节信息，θ₃为膝关节的角度调节信息，L₂为用户小腿长度，L₃为用户大腿长度，s₃＝sinθ₃。

与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：

(1)本发明所述的一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法与***，无需额外进行人体细致化数据采集，仅仅需要步长、步高和步态周期等常规数据即可实现对下肢外骨骼的步态控制，实验设备要求和成本更低；

(2)利用自主调节重心实现正常行走从竖直状态开始进行运动，使步态更加接近实际状态，解决现有技术需要先弯腿才能进行步态运动的反常规问题，从而更适合于下肢功能障碍者的康复治疗；

(3)首先基于重心稳定进行足迹轨迹规划，再基于足迹轨迹通过逆运动学分析获取关节处角度调节信息，使得关节调节过程中始终围绕重心稳定这一点，从而保证整个步态运动过程中重心的稳定性。

附图说明

图1为一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法的方法步骤图；

图2为一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划***的***结构图；

图3为以下肢外骨骼各关节间空间关系构建的运动学模型示意图；

图4为重心稳定性原则示意图；

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一

为了更好的为老年人或者下肢功能障碍患者提供良好的行走助力帮助，同时在下肢外骨骼机器人在步态运动中更加符合正常步态运动的形态，如图1所示，本发明提出了一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法，包括步骤：

S1：根据下肢外骨骼各关节间的空间关系，以用户的髋部为基准坐标系构建运动学模型；

S2：基于步态运动过程中重心稳定原则，根据用户的步态参数规划运动学模型的足端轨迹；

S3：根据规划的足端轨迹，通过逆运动学分析获取各关节之间的角度调节信息；

S4：根据角度调节信息控制各关节处的电机实现下肢外骨骼的步态运动。

为了更好的模拟下肢外骨骼在步态运动过程中的轨迹，首先需要以用户的髋骨为基准坐标系(髋骨中心点为原点)，根据下肢外骨骼各关节间的空间关系构建运动学模型(如图3，设定X为水平面上的步态运动方向，Z为垂直水平面的竖直方向，Y为垂直于XZ平面的方向)，从而在该模型的基础上获取用户的个性化步态规划方案。

对于下肢外骨骼机器人，其运动为支撑相(一个步态周期分为支撑相和摆动相)时需要保证其重心在人体的中心之才最为稳定，如图4，从上往下看，以下肢外骨骼足端一步步长做长方形，可以做其从起步到止步的重心变化，始终保持在中心位置，最为稳定，足端轨迹规划即以重心稳定性原则进行规划。

因此，在本发明中，为了使得最终获取的步态运动效果更加贴合实际行走过程中的效果，同时保证重心的稳定。本发明以重心稳定为做重点，提出了先基于重心稳定性原则进行足端轨迹的规划，再根据足端轨迹，通过逆运动学分析逆推各关节点之间的角度调节信息。基于上述，才有了本发明的设计方案。

步态规划在本发明中是为了给下肢外骨骼各关节提供角度调节信息，而在步态运动过程中，还需要充分考虑到人体正常行走、上下楼梯等常规运动场景下的不同需求，因此步长S、步高H、步态周期T₀(包括支撑相和摆动相两个周期，在本发明中将两者的周期设为相等)和台阶高度h也需要加入到足端轨迹规划的规划要素中。在这些规划要素的限制下，我们首先要充分了解不同行走态下下肢外骨骼在轨迹规划后在一个步态周期内腿部间应该处于的位姿关系，其中：

正常行走步态：整体上双腿先呈站立静止阶段，而后以左腿先起步，右腿再迈步，左腿再迈步，最后右腿止步，最终呈双腿站立静止阶段。具体地，左腿起步后落地，规划的足端摆动相轨迹点在竖直方向相对于基准坐标系应处于维持行走状态的高度，足端轨迹的提高相当于整体重心的下降，右腿支撑相轨迹点在竖直方向相对于基准坐标系也处于这一高度，使外骨骼机器人两腿呈正常行走状态；中间行走阶段的摆动相和支撑相轨迹点以这一高度为起点，规划右腿和左腿交替行走的轨迹点；右腿止步后落地，规划的足端摆动相轨迹点在竖直方向相对于基准坐标系应处于维持静止站立状态时的高度，足端轨迹的下降相当于整体质心的上升，左腿支撑相轨迹点在竖直方向相对于基准坐标系也下降，使外骨骼机器人两腿呈静止站立状态。

上楼梯步态：整体上双腿先呈站立静止阶段，以左腿先起步，右腿再迈步，左腿再迈步、最后右腿止步，最终呈双腿站立静止阶段。具体地，左腿起步迈向第一个楼梯(需高于台阶高度h)，摆动相轨迹点落在第一个楼梯高度上，右腿呈静止状态；中间阶段，右腿迈大步，摆动相轨迹点落在第二个楼梯高度上，左腿支撑相轨迹点从第二个楼梯高度落到原点，规划右腿和左腿相差一个楼梯高度的交替上楼梯轨迹点；右腿止步后落地，摆动相轨点由高于楼梯高度下降到原点，左腿支撑相轨迹点也下降到原点，使外骨骼机器人两腿呈静止站立状态。

下楼梯步态：整体上双腿先呈站立静止阶段，以左腿先起步，右腿再迈步，左腿再迈步、最后右腿止步，最终呈双腿站立静止阶段。具体地，左腿起步迈下第一个楼梯，摆动相轨迹点到达高于楼梯一定高度再落到原点上，右腿支撑相轨迹点竖直方向由原点上升到一个楼梯高度，前进方向离原点相距半个步长；中间阶段：右腿迈大步，摆动相支撑相迈下两个楼梯，摆动相轨迹点到达高于楼梯一定高度再落到原点上，左腿支撑相轨迹点竖直方向由原点上升到一个楼梯高度，前进方向离原点相距半个步长，规划右腿和左腿相差一个楼梯高度的交替下楼梯轨迹点；右腿止步后落地，摆动相轨点到达高于楼梯一定高度再落到原点上，左腿支撑相轨迹点也下降到原点，使外骨骼机器人两腿呈静止站立状态。

在清楚了腿部的整体运动轨迹目标后，可以看出，在腿部运动过程中，足端的轨迹实际上是存在一定的约束的，如：在步态参数约束下，步长约束导致足端的移动长度受限，步高约束导致足端的移动高度受限；以及在零冲击原则(足端运动状态变换时速度和加速度为零)约束下，速度约束导致足端在起点、至高点和终点的速度为零，加速度约束导致足端在起点、至高点和终点的加速度为零。

那么，在步态参数约束下，步态运动方向X的约束方程可表示为：

竖直方向Z的约束方程可表示为：

同时，在零冲击原则约束下，步态运动方向X的约束方程可表示为：

竖直方向Z的约束方程可表示为：

基于上述约束方程，常规的足端轨迹计算方法有摆线方程和五次多项式曲线，而针对于本发明的下肢外骨骼，通过摆线方程规划所得的轨迹不够圆润，且对于过程中的速度无法加以控制，而五次多项式的求解是根据位移约束方程和加速度约束方程求解的，对于速度和加速度可控，同时也符合下肢外骨骼步态运动中可以得到的约束条件，因此，本发明在此处通过五次多项式基于上述约束条件进行求解。

对于五次多项式，对于步态运动方向X上的五次多项式方程为：

x＝at⁵+bt⁴+ct³+dt²+et+f (7)

对上式(7)进行求导计算，可得到运动方程为：

五次多项式方程中存在着六个未知数，因此需要六个约束方程，根据前面小节给出的约束方程可以求解得到水平X方向的轨迹曲线方程为：

对于竖直方向Z，需进行分段五次多项式，当0≤t≤T₀/2时，其五次多项式方程为：

z＝At⁵+Bt⁴+Ct³+Dt²+Et+F (10)

于是，可以根据公式(2)、(5)和(6)，可以求解出竖直Y方向的足端轨迹方程为：

同理可以求解出当T₀/2＜t≤T₀时，竖直Y方向的足端轨迹方程为：

因此，足端轨迹可表示为如下公式：

足端轨迹规划后，根据规划的足端轨迹，需要用逆运动学方程求解得到各个关节的角度调节信息，并输入到下肢外骨骼机器人的关节电机里才能实现下肢外骨骼机器人的步态运行。其中，逆运动学是在已知足端运动轨迹求解关节运动轨迹，而其方程是由正运动学推导出来的，正运动学则是已知各关节角度求解足端位置，正运动学方程是根据D-H参数坐标法求出的，下肢外骨骼机器人的D-H参数坐标法的模型也即是图3。具体如何推导此处不再赘述，本领域技术人员可根据现有技术进行求证。那么根据俩关节的正运动学方程，可以用解析法求解得到下肢外骨骼机器人的逆运动学解方程为：

式中，(p_x,p_z)为下肢外骨骼足端在基准坐标系中的空间坐标，θ₂为髋关节的角度调节信息，θ₃为膝关节的角度调节信息，L₂为用户小腿长度，L₃为用户大腿长度，s₃＝sinθ₃。

在一优选实施例中，考虑到三关节的可能性，进一步获取了三关节情况下的逆运动学解方程为：

式中，(p_x,p_y,p_z)为下肢外骨骼足端在基准坐标系中的空间坐标,θ₁为新增加关节处的角度调节信息，L₁为新增加关节与髋骨之间的长度，c₁＝cosθ₁，s₁＝sinθ₁。

综上所述，本发明所述的一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法与***，无需额外进行人体细致化数据采集，仅仅需要步长、步高和步态周期等常规数据即可实现对下肢外骨骼的步态控制，实验设备要求和成本更低。

利用自主调节重心实现正常行走从竖直状态开始进行运动，使步态更加接近实际状态，解决现有技术需要先弯腿才能进行步态运动的反常规问题，从而更适合于下肢功能障碍者的康复治疗。

首先基于重心稳定进行足迹轨迹规划，再基于足迹轨迹通过逆运动学分析获取关节处角度调节信息，使得关节调节过程中始终围绕重心稳定这一点，从而保证整个步态运动过程中重心的稳定性。

实施例二

为了更好的对本发明的技术内容有一个***性的理解，本实施例通过***结构的形式来对本发明进行阐述，如图2所示，一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划***，包括：

模型构建单元，用于根据下肢外骨骼各关节间的空间关系，以用户的髋部为基准坐标系构建运动学模型；

足迹规划单元，用于基于步态运动过程中重心稳定原则，根据用户的步态参数规划运动学模型的足端轨迹；

角度计算单元，用于根据规划的足端轨迹，通过逆运动学分析获取各关节之间的角度调节信息；

电机驱动单元，用于根据角度调节信息控制各关节处的电机实现下肢外骨骼的步态运动。

进一步地，足迹规划单元中，重心稳定性原则为：下肢外骨骼在步态运动过程中，当步态周期处于支撑相时，用户在水平方向上的重心始终处于用户中心。

进一步地，足端轨迹可表示为如下公式：

式中，x和z为基准坐标下关节处的坐标，S为步长，T₀为步态周期，H为步高，t为一个步态周期内的时间。

进一步地，角度计算单元中，角度调节信息基于逆运动学分析可表示为如下公式：

式中，(p_x,p_z)为下肢外骨骼足端在基准坐标系中的空间坐标，θ₂为髋关节的角度调节信息，θ₃为膝关节的角度调节信息，L₂为用户小腿长度，L₃为用户大腿长度，s₃＝sinθ₃。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法，其特征在于，包括步骤：

S1：根据下肢外骨骼各关节间的空间关系，以用户的髋部为基准坐标系构建运动学模型；

S2：基于步态运动过程中重心稳定原则，根据用户的步态参数规划运动学模型的足端轨迹；

S3：根据规划的足端轨迹，通过逆运动学分析获取各关节之间的角度调节信息；

S4：根据角度调节信息控制各关节处的电机实现下肢外骨骼的步态运动；

所述S2步骤中，所述步态参数包括步长、步高、步态周期，所述运动学模型在一个步态周期内包括支撑相和摆动相，支撑相和摆动相的周期相等；

所述S2步骤中，重心稳定性原则为：下肢外骨骼在步态运动过程中，当步态周期处于支撑相时，用户在水平方向上的重心始终处于用户中心；

所述S2步骤中，足端轨迹基于轨迹约束方程和五次多项式方程求得，其中所述轨迹约束方程包括，基于步长和步高的第一径向约束方程和第一垂向约束方程，在零冲击原则下基于速度和加速度的第二径向约束方程和第二垂向约束方程；

所述足端轨迹可表示为如下公式：

式中，x和z为基准坐标下关节处的坐标，S为步长，T₀为步态周期，H为步高，t为一个步态周期内的时间；

所述角度调节信息基于逆运动学分析可表示为如下公式：

式中，为下肢外骨骼足端在基准坐标系中的空间坐标，/>为髋关节的角度调节信息，/>为膝关节的角度调节信息，/>为用户小腿长度，/>为用户大腿长度，/>。

2.一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划***，其特征在于，包括：

模型构建单元，用于根据下肢外骨骼各关节间的空间关系，以用户的髋部为基准坐标系构建运动学模型；

足迹规划单元，用于基于步态运动过程中重心稳定原则，根据用户的步态参数规划运动学模型的足端轨迹；

角度计算单元，用于根据规划的足端轨迹，通过逆运动学分析获取各关节之间的角度调节信息；

电机驱动单元，用于根据角度调节信息控制各关节处的电机实现下肢外骨骼的步态运动；

所述足迹规划单元中，重心稳定性原则为：下肢外骨骼在步态运动过程中，当步态周期处于支撑相时，用户在水平方向上的重心始终处于用户中心；

所述足端轨迹可表示为如下公式：

式中，x和z为基准坐标下关节处的坐标，S为步长，T₀为步态周期，H为步高，t为一个步态周期内的时间；

所述角度计算单元中，角度调节信息基于逆运动学分析可表示为如下公式：

式中，为下肢外骨骼足端在基准坐标系中的空间坐标，/>为髋关节的角度调节信息，/>为膝关节的角度调节信息，/>为用户小腿长度，/>为用户大腿长度，/>。