[發明專利]一種基于高斯過程回歸的柔性外骨骼最優助力預測方法

在審

• 申請號: 202011387447.0
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112733422A
• 公開（公告）日: 2021-04-30
• 發明（設計）人: 孫磊;曾德添;董恩增;佟吉剛;陳鑫;李云飛;龔欣翔;李成輝
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06F30/17;A61H1/02;A63B23/04;A63B21/00;A63B24/00;G06F119/14
• 代理公司: 天津市君硯知識產權代理有限公司 12239
• 代理人: 程昊

一種基于高斯過程回歸的柔性外骨骼最優助力預測方法，通過建立不同人群、不同步速下舒適助力的數據集，確立測試人員的人體模型特征，并在此基礎上建立樣本的數據集（X,Y），在建立好數據集并將數據集經過訓練后，利用高斯過程回歸的方式直接定義預測函數的分布，使預測的助力幅值在一個更加合理的范圍，真正實現對腿部的柔順助力，幫助受傷的骨骼、肌肉以及關節起到輔助康復的作用。

(一)技術領域：

本發明屬于機器人相關技術領域，是一種步態康復柔性外骨骼機器人的助力參數優化，特別是一種基于高斯過程回歸的柔性外骨骼最優助力預測方法。

(二)背景技術：

隨著年齡的增長，人體的下肢力量逐漸減弱，人體的骨骼開始脆化、肌肉開始退化，關節活動度降低，存在無法從事較大負荷和較長時間站立以及行走的勞動，給人們的出行以及生活帶來了極大的困擾。為減輕由于年齡增長而帶來的腿部壓力，使人們的腿部活動仍能正常進行，維持正常的生產生活勞動，步態康復柔性外骨骼機器人應運而生。

步態康復柔性外骨骼機器人是一套穿戴在人體身上的助力裝置，其通過裝置上搭載的拉力傳感器實時監控腿部抬起與放下時所承受力的大小，從而通過反饋的方式把力的大小及時反饋給電機，通過電機控制柔性尼龍帶的收縮與拉伸，使其輸出不同的助力幅值，實現對腿部的柔順助力。但是，助力幅值參數的確定一直飽受困擾，采用經典的最小二乘法線性回歸的方式會導致助力幅值參數過擬合的問題。而且，對于不同的人群，人體模型特征不完全相同，所需的助力幅值大小也是不完全相同的，拉力過大、過快都會導致部分本已功能的缺失、拉伸不正常的肌肉出現二次損傷的危險；拉力過小、過慢則沒有能體現出外骨骼的輔助作用；只有舒適的助力才可以體現出外骨骼的優越性，真正達到輔助康復的目的。

針對現有技術的不足，目前亟需一種最優助力的預測方法以應對柔性外骨骼在使用過程中輸出助力幅值的不確定性和不穩定性的問題。

(三)發明內容：

本發明的目的在于提供一種基于高斯過程回歸的柔性外骨骼最優助力預測方法，它可以克服最小二乘法線性回歸方式導致輸出助力幅值過大、過快的不足，是一種操作簡單且容易實現的柔性外骨骼最優助力預測方法，有利于提高外骨骼使用的安全可靠性，對輸出助力幅值的大小合理有效地預測，其結果更加精確。

本發明的技術方案：一種基于高斯過程回歸的柔性外骨骼最優助力預測方法，包括以下步驟：

(1)建立不同人群、不同步速下舒適助力的數據集，確立測試人員的人體模型特征，并在此基礎上確立樣本的數據集(X,Y)；

所述步驟(1)中建立不同人群、不同步速下舒適助力的數據集的方法，如圖1所示，由以下步驟構成：

①讓不同年齡段、人體特征不完全相同的測試人員穿戴外骨骼設備先以7.5Km/h的速度在跑步機上進行行走；

②由外骨骼上攜帶的電機通過帶動柔性尼龍帶的收縮與拉伸先給定一個24N的初始助力幅值；