[發明專利]一種剛柔耦合外骨骼機器人運動模式識別方法

有效

• 申請號: 202011589194.5
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN113146611B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 鄭建彬;殷澤宇;黃立平;彭輝輝;殷凌寒
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J9/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 李丹

本發明公開了一種剛柔耦合外骨骼機器人運動模式識別方法，該方法包括以下步驟：1)根據行走過程中一側腿部支撐態足底壓力曲線實時變化情況，將另一側腿部擺動態劃分為三個區間；2)采集行走過程中的足底壓力值；3)如果某腿足底壓力值小于P1，則判斷該腿運動狀態為擺動態；4)根據步驟3)判斷運動狀態；5)尋找各個特征曲線的峰值時刻；6)在不同運動狀態下，判斷各個特征曲線峰值時刻與擺動態區間T1、T2和T3的位置關系；7)根據步驟6)中的位置關系，確定交替行走狀態下的運動模式；8)利用有限狀態機對識別結果進行糾錯。本發明有效地將關節角度極值特征的空間關系與足底壓力特征的時間關系相結合，提高了運動模式識別的準確率。

技術領域

本發明涉及運動模式識別技術，尤其涉及一種剛柔耦合外骨骼機器人運動模式識別方法。

背景技術

工業化時代的到來給人們的工作生活帶來巨大的改變，機器人技術隨之興起。在單兵作戰和醫療康復等領域，需要機器人具有一定的靈活性，由此外骨骼機器人應運而生。從功能上外骨骼機器人主要分為兩種：一種是負重機器人，另一種是康復機器人。剛柔外骨骼機器人屬于前者，其設計制造的主要目的是幫助穿戴者背負更多重物，完成重物運輸任務，實現行走時間與行走速度的雙重提升，達到防止過度勞累的情況出現，提高工作效率的目標。

剛柔外骨骼機器人是一種根據人體形狀和功能設計的可穿戴機械裝置，作為強大的人機耦合系統，剛柔外骨骼機器人的行走狀態要與人的狀態高度一致，在相同步態階段下肢關節要具有相似的運動。外骨骼行走步態軌跡通常由運動模型或基于運動模式的算法生成，采集運動數據，提取運動模式特征并進行運動模式識別是常用的分析方法，準確的運動模式識別對于剛柔外骨骼機器人至關重要。目前應用于下肢外骨骼機器人的運動模式識別方法主要有：

1.基于足底壓力的運動模式方法，該方法可以通過人體行走過程中足底壓力的變化情況識別出相應步態和運動模式，并配合控制算法實現對外骨骼機器人的柔順控制，但由于足底壓力信號不穩定，造成運動模式識別率不高。

2.基于表面肌電信號/腦電信號的運動模式識別，該方法可以通過行走過程中人體表面肌電信號/腦電信號的周期性變化識別出相應運動模式，但此方法中肌電信號/腦電信號內包含運動信息很多，信號處理時間長，模型建立復雜。

3.基于觸發信號的運動模式識別，該方法可以通過人體行走過程中各個部位傳感器數據的變化情況識別出相應運動模式，但此方法無法實現不同人、不同速度下的自適應識別。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于針對現有技術中的缺陷，提供一種剛柔耦合外骨骼機器人運動模式識別方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種剛柔耦合外骨骼機器人運動模式識別方法，包括以下步驟：

1)根據行走過程中一側腿部支撐態足底壓力曲線實時變化情況，將另一側腿部擺動態劃分為三個區間，分別是擺動態前期T₁、擺動態中期T₂和擺動態后期T₃；所述行走過程包括平地行走、上樓梯和下樓梯；

2)采集行走過程中的足底壓力值，判斷足底壓力值是否小于閾值P₁；采集行走過程中的大腿IMU、髖關節角度和膝關節角度；

3)如果某腿足底壓力值小于P₁，則判斷該腿運動狀態為擺動態，否則判斷該腿運動狀態為支撐態；

4)根據步驟3)判斷運動狀態：如果雙腿都處于支撐態，則判斷當前運動狀態為雙腿站立動作；如果長時間保持擺動態，則判斷當前運動狀態為單腿站立動作；如果某腿處于支撐態，另一腿處于擺動態，則判斷當前運動狀態為交替行走動作，轉入步驟5)；否則轉入步驟2)；