[發明專利]一種基于重心穩定的下肢外骨骼步態規劃方法與系統

有效

• 申請號: 202210086783.4
• 申請日: 2022-01-25
• 公開（公告）號: CN114469655B
• 公開（公告）日: 2023-09-12
• 發明（設計）人: 郟云濤;裘焱楓;高熙強;張克勤
• 申請（專利權）人: 寧波工業互聯網研究院有限公司
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00;G06F30/20;G06F111/04;G06F119/14
• 代理公司: 寧波市鄞州盛飛專利代理事務所(特殊普通合伙) 33243
• 代理人: 龍洋

本發明公開了一種基于重心穩定的下肢外骨骼步態規劃方法，涉及機械外骨骼操控技術領域，包括步驟：根據下肢外骨骼各關節間的空間關系，以用戶的髖部為基準坐標系構建運動學模型；基于步態運動過程中重心穩定原則，根據用戶的步態參數規劃運動學模型的足端軌跡；根據規劃的足端軌跡，通過逆運動學分析獲取各關節之間的角度調節信息；根據角度調節信息控制各關節處的電機實現下肢外骨骼的步態運動。本發明利用自主調節重心實現正常行走從豎直狀態開始進行運動，使步態更加接近實際狀態，解決現有技術需要先彎腿才能進行步態運動的反常規問題，從而更適合于下肢功能障礙者的康復治療。

技術領域

本發明涉及機械外骨骼操控技術領域，具體涉及一種基于重心穩定的下肢外骨骼步態規劃方法與系統。

背景技術

下肢外骨骼機器人作為一種穿戴式機器人，能為人體提供支撐和助力助行等功能，并與穿戴者進行交互，從而增強人體的運動能力，具有明顯的社會價值和經濟價值。一方面，下肢外骨骼機器人能夠通過輔助老年人，如輔助老年人行走、上下樓梯等活動，從而提高老年人的運動能力，為人口老齡化帶來的養老社會問題提供有效緩解方案。另一方面，下肢外骨骼機器人還可以面向下肢功能障礙者等行動不便人群，為其提供一定的支撐幫助，通過后天的醫療康復運動，降低腿部肌肉過度萎縮造成的病情風險，加強下肢的康復運動，亦可促進行走能力的恢復。

然而，多功能步態規劃，需與行走、上下樓梯過程中人們的步態相結合，使行走過程穩定且協調，規劃結果直接影響下肢外骨骼機器人的輔助步行能力，具有一定的技術難度。

發明內容

為了更好的為老年人或者下肢功能障礙患者提供良好的行走助力幫助，本發明提出了一種基于重心穩定的下肢外骨骼步態規劃方法，包括步驟：

S1：根據下肢外骨骼各關節間的空間關系，以用戶的髖部為基準坐標系構建運動學模型；

S2：基于步態運動過程中重心穩定原則，根據用戶的步態參數規劃運動學模型的足端軌跡；

S3：根據規劃的足端軌跡，通過逆運動學分析獲取各關節之間的角度調節信息；

S4：根據角度調節信息控制各關節處的電機實現下肢外骨骼的步態運動。

進一步地，所述S2步驟中，所述步態參數包括步長、步高、步態周期，所述運動模型在一個步態周期內包括支撐相和擺動相，支撐相和擺動相的周期相等。

進一步地，所述S2步驟中，重心穩定性原則為：下肢外骨骼在步態運動過程中，當步態周期處于支撐相時，用戶在水平方向上的重心始終處于用戶中心。

進一步地，所述S2步驟中，足端軌跡基于軌跡約束方程和五次多項式方程求得，其中所述軌跡約束方程包括，基于步長和步高的第一徑向約束方程和第一垂向約束方程，在零沖擊原則下基于速度和加速度的第二徑向約束方程和第二垂向約束方程。

進一步地，所述足端軌跡可表示為如下公式：

式中，x和z為基準坐標下關節處的坐標，S為步長，T₀為步態周期，H為步高，t為一個步態周期內的時間。

進一步地，所述角度調節信息基于逆運動學分析可表示為如下公式：

式中，(p_x,p_z)為下肢外骨骼足端在基準坐標系中的空間坐標，θ₂為髖關節的角度調節信息，θ₃為膝關節的角度調節信息，L₂為用戶小腿長度，L₃為用戶大腿長度，s₃＝sinθ₃。

本發明還提出了一種基于重心穩定的下肢外骨骼步態規劃系統，包括：