[发明专利]一种判断外骨骼助行机器人穿戴者下肢行动意图的方法

说明书

本发明提出一种判断外骨骼助行机器人穿戴者下肢行动意图的方法。针对目前外骨骼机器人所采用的跟随人体动作控制方式，或手动操作方式的不足，利用穿戴者上身肩部无意识动作和习惯性注视动作判断其下身运动意图。可以用于控制带有自动平衡功能的外骨骼机器人，帮助穿戴者完成迈步，转向，越障，起坐等常见下肢运动。无需穿戴者下肢先于机器人采取实际的动作，避免了在人机相互作用力上消耗额外的体力。也不需要穿戴者学习专门的外骨骼机器人操作技能，适合弱体力的老年人使用，减轻了其学习外骨骼机器人使用技巧的负担。

技术领域

本发明涉及到可穿戴式下肢外骨骼机器人，具体来说是一种判断外骨骼助行机器人穿戴者下肢行动意图的方法。

背景技术

人类总是无法避免衰老，体力衰老和脑力衰老过程速度不同但相互影响。对于很多老年人，体力特别是下肢衰老后，活动范围受到限制，较少社交活动，生活环境封闭，反过来加速了脑部衰老进程，形成一种恶性循环。随着人口老龄化的程度地加深，年轻劳动力负担社会生产的责任只会越来越重，老年人人均获得的护理服务量极有可能呈现逐步减少的趋势。利用技术手段增加老年人自身的活动能力不失为一种解决办法。常见协助老年人扩大活动范围的装置，如电动轮椅，并不能完全适合楼梯，台阶一类城市生活环境。相应地，可穿戴式助行机器人似乎比轮椅更适合用来帮助老年人行走。

随着技术进步，能用于制造外骨骼机器人的各种关键部件已经变得价格低廉。低功耗高性能的计算机已经普遍装备于智能手机一类的便携式设备中，能产生上百公斤力的小尺寸液压装置在自动化领域中广泛运用。各种压力传感器，角度传感器和陀螺仪等部件已经是成熟的产品。单从成本上来说，助行机器人完全是普通家庭可以轻松负担的。另外,机器人自动平衡技术也在不断进步，穿戴助行机器人就如同坐轮椅一样地简单。比如申请号为CN201310184590的专利请求就提出了一种老年人防摔倒外骨骼助行机器人的控制方法。

但是，到目前为止，外骨骼机器人还只见于军事领域和科技领域的相关报道，很难看到这类产品出现在生活中，帮助老年人解决活动范围受限的痛苦。这是由于目前的外骨骼机器人还缺少一种简便可靠的，识别穿戴者下肢运动意图的方法。

外骨骼机器人必须先要识别出穿戴者的行动意图，然后才能帮助穿戴者实现行动意图。问题在于行动意图是从人意识产生通过神经系统传递到肌肉，整个过程都在人体内部完成。如果不在人体内植入探测器，那就只能在人体外部通过各种间接的方法来测量。申请号为CN201210355661的专利请求提到了一种脑电帽，通过贴在脑外的若干干电极检查大脑兴奋点来判断外骨骼机器人穿戴者的行动意图。不过并没有提到大脑兴奋点是如何具体反映人的运动想法的，其实就目前的科技水平而言，可以直接检测人脑思想的方法还不存在。

其余判断外骨骼机器人穿戴者行动意图的非植入式方法大致可分为两类：跟随人体动作，或者手动操作。这两种方法各有其缺陷，不适合用于以帮助老年人行走为目的外骨骼助行机器人。

跟随人体动作，就是先检测出人体实际的动作，然后外骨骼机器人再对人体运动进行补偿和增强。使用这种方法，穿戴者的运动先要在一定程度上受到外骨骼或传感器的阻碍，然后才能获得外骨骼机器人的助力，这势必增加不必要的体力消耗。例如申请号CN200810214409的专利请求，提出了一种外骨骼系统的力控制方法，通过足底传感器和关节角度传感器实现对人体运动的准确跟踪获取人体运动意图，其效果是减小了人机作用力。而申请号为CN200980118437专利请求，通过某种外骨骼机器人的动作，减少穿戴者氧气损耗，其技术背景中也提到了准被动式外骨骼机器人对穿戴者造成的额外负担。总的来说，通过跟随人体动作来判断穿戴者运动意图的外骨骼机器人，比较适合用于帮助体力正常的穿戴者获取超越人类肌肉极限的力量，比如美国洛克希德.马丁公司的“浩克”，可以帮助穿戴着它的士兵背负91公斤的物资同时保持16公里的步行时速。但这种方法不适合帮助弱体力者维持正常运动。