[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

本發明屬于外骨骼領域，公開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。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。相比于通過實驗法遍尋不同的輔助力矩，本發明通過遺傳算法得到的外骨骼輔助力矩具備理論上的合理性，因此在一定程度上保證了實驗的安全性，并且以此作為基礎調試輔助力矩，將提高輔助力矩迭代的速度。

技術領域

本發明涉及外骨骼領域，特別涉及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，可用于步行踝關節外骨骼輔助力矩的設置和調試。

背景技術

外骨骼機器人模仿生物世界昆蟲的外骨骼，是一種可穿戴設備，作為一種新型的機電設備，通過集成傳感、控制、信息融合等技術，在為使用者提供保護的基礎上，給使用者提供動力及其他服務。外骨骼技術有廣闊的運用場景，在工業領域，外骨骼可以減輕工人負重，減少肌肉疲勞，降低腰肌勞損的風險；在醫療領域，外骨骼幫助行動不便的老人或殘障人士恢復行動能力，幫助護理人員輕松抬起病人；在救災領域，外骨骼可以幫助消防員或其他急救人員提供防護，攜帶氧氣罐和其他呼吸設備；在軍事領域，外骨骼將士兵背負的沉重的背包重量傳導到地面，并提供充足的動力，減少在崎嶇不平的山路上長途跋涉的能量消耗。

當前用于步行的踝關節外骨骼的輔助力矩主要是基于實驗法制定，需要手動進行設置，曲線的樣式相對來說比較簡單，因需要遍歷所有的曲線而使得調試過程比較繁瑣，并且錯誤的輔助力矩可能會給人體帶來損害。

發明內容

針對上述存在的技術問題，本發明提供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。

本發明采用如下技術方案實現：

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，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。

優選地，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。

優選地，非主要步態段指步態周期10％之前以及65％之后的階段。

優選地，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％)