[發(fā)明專利]基于外骨骼的穿戴式走步健身系統(tǒng)及控制方法與存儲(chǔ)介質(zhì)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110710185.5
• 申請(qǐng)日: 2021-06-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113599781B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張晟;曾俊彥;楊巍;夏慶超;楊燦軍;金波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): A63B23/04
• 分類號(hào): A63B23/04;A63B21/00;A63B21/005
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 何彬

1.一種基于外骨骼的穿戴式走步健身系統(tǒng)的控制方法，所述外骨骼穿戴于走步健身人員的身上，包括腰部穿戴單元、大腿桿單元及用于連接前述二者的髖關(guān)節(jié)單元；所述大腿桿單元包括大腿桿與大腿綁帶；所述髖關(guān)節(jié)單元包括關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)使所述大腿桿相對(duì)所述腰部穿戴單元擺動(dòng)；其特征在于，所述控制方法包括以下步驟：

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收步驟，在所述走步健身人員的走步健身過(guò)程中，接收關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)傳感器所輸出的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，所述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括大腿桿在走步健身過(guò)程中的髖關(guān)節(jié)角度θ(t)與髖關(guān)節(jié)角速度ω(t)；

數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟，按下式將基于時(shí)間序列的髖關(guān)節(jié)角度θ(t)與髖關(guān)節(jié)角速度ω(t)變換成基于時(shí)間序列的相角占比基于該相角占比在[0,2π)范圍的周期變化特性，對(duì)不同步幅不同步速的髖關(guān)節(jié)角度與髖關(guān)節(jié)角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，以獲取所述大腿桿在步態(tài)各個(gè)周期內(nèi)的擺動(dòng)相區(qū)間和支撐相區(qū)間；

走步阻力施加步驟，在所述擺動(dòng)相區(qū)間內(nèi)，依據(jù)走步阻力與所述大腿桿的擺幅及擺動(dòng)角速度變化率呈正相關(guān)的設(shè)定，按照對(duì)應(yīng)時(shí)間序列構(gòu)建走步阻力與相角占比的關(guān)系曲線；并按照所述關(guān)系曲線，控制所述關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)處于擺動(dòng)相區(qū)間內(nèi)的所述大腿桿的擺動(dòng)過(guò)程施加反向的走步阻力。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述走步阻力與所述大腿桿的擺幅及擺動(dòng)角速度變化率的設(shè)定為：

τ_i＝λ·k·τ_pre

其中，τ_i為相角占比階段的期望阻力矩，τ_pre為預(yù)設(shè)最大人體走路阻力矩，λ是髖關(guān)節(jié)屈伸角速度修正系數(shù)，k是髖關(guān)節(jié)角度修正系數(shù)，分別為：

其中，ω_min，ω_m，ω分別為人體在走步健身過(guò)程中的一個(gè)周期內(nèi)髖關(guān)節(jié)屈伸角速度設(shè)定最小值、設(shè)定平均值以及實(shí)際采集值；θ_min，θ_m，θ分別為人體在走步健身過(guò)程中的一個(gè)周期內(nèi)髖關(guān)節(jié)角度設(shè)定最小值、設(shè)定平均值以及實(shí)際采集值。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于，不同相角占比時(shí)的預(yù)設(shè)阻力矩τ_pre按照下表，以查表方式獲取經(jīng)歸一化之后的值：

其中，預(yù)設(shè)阻力矩τ_pre為按照力矩/體重作歸一化處理后的值，在經(jīng)查表之后，再根據(jù)不同走步健身人員的體重計(jì)算實(shí)際預(yù)設(shè)阻力矩。

4.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有用于對(duì)穿戴式走步健身系統(tǒng)進(jìn)行控制的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，當(dāng)所述計(jì)算機(jī)程序被執(zhí)行時(shí)，能實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的控制方法。

5.一種基于外骨骼的穿戴式走步健身系統(tǒng)，所述外骨骼穿戴于走步健身人員身上，包供電電池、控制單元及自上而下依次連接的腰部穿戴單元、髖關(guān)節(jié)單元與大腿桿單元；所述大腿桿單元包括大腿桿與大腿綁帶；所述髖關(guān)節(jié)單元包括用于連接所述大腿桿與所述腰部穿戴單元的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，及關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)傳感器；所述關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)傳感器用于獲取所述大腿桿在穿戴人員走步健身過(guò)程中的髖關(guān)節(jié)角度θ(t)與髖關(guān)節(jié)角速度ω(t)；所述關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)使所述大腿桿相對(duì)所述腰部穿戴單元擺動(dòng)；其特征在于：

所述控制單元用于依據(jù)所述關(guān)節(jié)監(jiān)測(cè)傳感器所輸出的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，控制所述關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)至少對(duì)處于擺動(dòng)相區(qū)間內(nèi)的所述大腿桿的擺動(dòng)過(guò)程施加反向的走步阻力，且所述走步阻力與所述大腿桿的擺幅及擺動(dòng)角速度變化率呈正相關(guān)；

所述控制單元用于按下式將基于時(shí)間序列的髖關(guān)節(jié)角度θ(t)與髖關(guān)節(jié)角速度ω(t)變換成基于時(shí)間序列的相角占比基于該相角占比在[0,2π)范圍的周期變化特性，對(duì)不同步幅不同步速的髖關(guān)節(jié)角度與髖關(guān)節(jié)角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，以獲取所述大腿桿在步態(tài)各個(gè)周期內(nèi)的擺動(dòng)相區(qū)間和支撐相區(qū)間；

在所述擺動(dòng)相區(qū)間內(nèi)，依據(jù)走步阻力與所述大腿桿的擺幅及擺動(dòng)角速度變化率呈正相關(guān)的設(shè)定，按照對(duì)應(yīng)時(shí)間序列構(gòu)建走步阻力與相角占比的關(guān)系曲線；并按照所述關(guān)系曲線，控制所述關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)處于擺動(dòng)相區(qū)間內(nèi)的所述大腿桿的擺動(dòng)過(guò)程施加反向的走步阻力。