[發明專利]一種基于遺傳算法的步行踝關節外骨骼輔助力矩生成方法

在審

• 申請號: 202011608384.7
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112618285A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 王念峰;鐘一弘;張憲民;黃偉聰
• 申請（專利權）人: 華南理工大學;廣東天物新材料科技有限公司
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00;G06F30/27;G06F30/17;G06N3/12;G06F111/04;G06F119/14
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 楊望仙

1.一種基于遺傳算法的步行踝關節外骨骼輔助力矩生成方法，其特征在于，所述方法將生物能計算方法嵌入遺傳算法中求解最優的踝關節外骨骼輔助力矩；遺傳算法的目標函數為使步態周期的生物能成本最小；遺傳算法的個體是人體的生物力矩，每一個個體可求得對應的外骨骼輔助力矩，通過遺傳算法求解得到種群里的最優個體，進而得到最優個體對應的最優外骨骼輔助力矩。

2.根據權利要求1所述的步行踝關節外骨骼輔助力矩生成方法，其特征在于，遺傳算法設置四個約束，其中：

第一個約束為生物力矩約束，生物力矩數值須在0和跖屈肌總力矩之間；

第二個約束為外骨骼輔助力矩峰值約束，限定外骨骼的輔助力矩峰值為一定比例的跖屈肌總力矩最大值；

因為背屈肌肌肉效率過低，因此第三個約束為配合約束；

外骨骼輔助力矩不使人體產生拮抗力矩增量；一般來說，在非主要步態段施加輔助力矩的代謝收益太小，因此第四個約束是非主要步態段外骨骼不施加輔助力矩。

3.根據權利要求2所述的步行踝關節外骨骼輔助力矩生成方法，其特征在于，非主要步態段指步態周期10％之前以及65％之后的階段。

4.根據權利要求3所述的步行踝關節外骨骼輔助力矩生成方法，其特征在于，四個約束均可轉化為以生物力矩為主體變量來表達，以跖屈肌為例，表達形式如下所示：

0≤M_MTU(t)≤M_PFTOTAL(t)

M_MTU(t)≥M_PFTOTAL(t)-max(M_PFTOTAL(t))·k

M_MTU(t)≥M_MIN(t)

M_MTU(t)＝M_PFTOTAL(t)(tp10％或tp65％)

其中，M_MTU(t)為生物力矩，k為外骨骼輔助力矩峰值約束中的限定比例，M_PFTOTAL(t)為完成步行所需的總力矩，M_MIN(t)為生物力矩下限，tp為當前步態百分比。

5.根據權利要求4所述的步行踝關節外骨骼輔助力矩生成方法，其特征在于，四個約束共同約定了生物力矩數值的上下界，通過一個元素數值均在0到1之間的數列x(t)，即可代表一個生物力矩，如下所示：

M_MTU(t)＝Lb+x(t)(Ub-Lb)

其中，Lb為生物力矩的下界，Ub為生物力矩的上界。

6.根據權利要求5所述的步行踝關節外骨骼輔助力矩生成方法，其特征在于，將步態周期從0％到100％，每1％設置一個x，則總共有101個x構成x(t)，一個x(t)代表一種生物力矩曲線。

7.根據權利要求6所述的步行踝關節外骨骼輔助力矩生成方法，其特征在于，為了防止陷入局部最優，通過曲線插值和曲線平滑的數值運算操作使生物力矩曲線達到一定的光滑程度。

8.根據權利要求6所述的步行踝關節外骨骼輔助力矩生成方法，其特征在于，遺傳算法的目標函數為單個步態周期的小腿三頭肌的生物能成本。