[發明專利]基于視覺的外骨骼機器人足跡規劃系統、方法及存儲介質

有效

• 申請號: 202011462944.2
• 申請日: 2020-12-11
• 公開（公告）號: CN112587378B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 吳新宇;李金科;孫健銓;傅睿卿;何勇;馬躍;曹武警;王大帥
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;A61H3/00
• 代理公司: 深圳市銘粵知識產權代理有限公司 44304
• 代理人: 孫偉峰;陽志全

本發明公開了一種基于視覺的外骨骼機器人足跡規劃系統，包括：意圖識別模塊，用于捕捉外骨骼佩戴者的肢體動作或聲音，得出目標的位置和方向；地形感知模塊，用于獲取環境的地形數據，并生成地形的立體地圖；足跡規劃模塊，用于根據目標的位置和方向、地形的立體地圖，計算出最優的足跡序列；全息顯示模塊，用于在現實世界的空間坐標系中顯示計算出的足跡序列。本發明還公開了一種基于視覺的外骨骼機器人足跡規劃方法和存儲介質。本發明結合外骨骼佩戴者的需求和實際地形計算出最優的足跡序列，并通過全息影像在現實世界的空間坐標系中展示給外骨骼佩戴者，為外骨骼佩戴者指示下一步的立足點，增加了穿戴者的安全感，能很好地應用在各種未知場景。

技術領域

本發明涉及外骨骼機器人技術領域，尤其涉及一種基于視覺的外骨骼機器人足跡規劃系統、方法及存儲介質。

背景技術

世界上有大量的人由于疾病或車禍而出現下肢運動障礙，這意味著他們沒有下肢運動能力，或者說他們的下肢運動能力很弱。另一方面，隨著世界進入老齡化社會，老年人下肢運動障礙的護理問題日益突出。下肢外骨骼機器人是解決下肢殘疾和老年人助行問題最有潛力的方法之一，有望幫助截癱患者在日常生活中再次行走，能顯著提高下肢功能障礙患者的運動能力和生活質量

與智能假肢不同，外骨骼機器人主要集中在與穿戴者的身體耦合與合作上，而不是某些肢體的替換，外骨骼機器人與穿戴者是緊耦合狀態，理解穿戴者的行為意圖對于外骨骼至關重要。

目前，意圖理解的常用方法是在兩根拐杖上使用按鈕，穿戴者通過按鈕來引導外骨骼移動想要移動的腿，其步態是預先設定的，不能應用于復雜地形；借助表面肌電圖(SEMG)雖然可以自然反映人類運動的意圖，然而，一些嚴重截癱患者無法從下肢采集肌電圖信號；借助腦電圖(EEG)信號雖然能反映運動的真實意圖，且不存在信號無法獲得的情況，然而，腦電信號的維數高、噪聲大、動態性強，使得此種方法無法在日常中實際被應用。

另外，足跡規劃是外骨骼應用的另一個難點，傳統的視覺足跡規劃都是由機器人來完成的，在已經看到或事先布置有外部視覺傳感器的場景中行走，而不是在未知環境中行走，外骨骼機器人的步態基本上是預置的，不能應用于動態場景、轉彎等場景，這會導致軌跡規劃比較笨拙。因此，在未知場景中，快速規劃足跡序列是一個巨大的挑戰。

發明內容

鑒于現有技術存在的不足，本發明提供了一種基于視覺的外骨骼機器人足跡規劃系統、方法及存儲介質，可以完美解決意圖理解和足跡規劃這兩大難點，在空間坐標系中精確顯示目標點所在的位置和方向，根據地形識別規劃足跡序列，并將足跡序列規劃的結果直觀地顯示在現實世界的空間上。

為了實現上述的目的，本發明采用了如下的技術方案：

一種基于視覺的外骨骼機器人足跡規劃系統，包括：

意圖識別模塊，用于捕捉外骨骼佩戴者的肢體動作或聲音，得出目標的位置和方向；

地形感知模塊，用于獲取環境的地形數據，并生成地形的立體地圖；

足跡規劃模塊，用于根據所述意圖識別模塊得到的目標的位置和方向、所述地形感知模塊得到的地形的立體地圖，計算到達目標位置的足跡序列；

全息顯示模塊，用于在現實世界的空間坐標系中向外骨骼佩戴者顯示計算出的所述足跡序列。

作為其中一種實施方式，所述意圖識別模塊與所述全息顯示模塊集成于混合現實顯示裝置上，所述混合現實顯示裝置固定在外骨骼佩戴者的頭部。

作為其中一種實施方式，所述肢體動作包括凝視、手勢的至少一種。

作為其中一種實施方式，所述足跡規劃模塊包括：

路徑規劃模塊，用于根據目標的位置和方向，規劃外骨骼質心的近似軌跡；

腳步規劃模塊，用于根據外骨骼質心的近似軌跡，規劃外骨骼的左右腳的足跡。