[发明专利]一种基于规律行走步态学习的助力外骨骼装置

权利要求书

1.一种基于规律行走步态学习的助力外骨骼装置，其特征在于：包括外骨骼关节结构、绑缚带、检测装置、控制器和驱动装置；所述外骨骼关节结构与人体待助力运动关节匹配，并通过绑缚带与人体待助力运动关节绑缚在一起，在绑缚带与外骨骼关节结构固连处安装有检测装置，驱动装置安装在外骨骼关节结构上；

检测装置：用于检测人体待助力运动关节与外骨骼关节结构间的相对运动信息，输出给控制器；

控制器：接收检测装置输出的相对运动信息和驱动装置输出的外骨骼关节结构的运动角度，在人体规律运动开始时，获得被动运动指令输出给驱动装置，同时获取人体步态运动规律，结合相对运动信息，得出主动运动指令，将被动运动指令和主动运动指令进行融合后得到混合运动指令，输出给驱动装置；

驱动装置：采集外骨骼关节结构的运动角度，输出给控制器；根据被动运动指令驱动外骨骼关节结构跟随人体待助力运动关节运动，实现被动助力；根据混合运动指令驱动外骨骼关节结构带动人体待助力运动关节运动，实现主动助力；

所述控制器包括关节跟随运动控制单元、规律运动行为学习单元和指令综合单元；

关节跟随运动控制单元：接收检测装置输出的相对运动信息和驱动装置输出的外骨骼关节结构的运动角度，在人体规律运动开始时，利用阻抗控制算法得出被动运动指令，输出给驱动装置；

规律运动行为学习单元：接收检测装置输出的相对运动信息和驱动装置输出的外骨骼关节结构运动角度，进行人体规律运动步态的学习，进而得到人体步态运动规律，输出给指令综合单元；

指令综合单元：结合人体步态运动规律以及所述相对运动信息，得出主动运动指令；评估外骨骼关节结构对人体待助力运动关节的跟随误差，对被动运动指令和主动运动指令进行融合，得到混合运动指令，输出给驱动装置；

规律运动行为学习单元通过以下算法实现：

(4.1)通过自适应频率振荡器组观测t时刻外骨骼关节结构运动角度的相位和复现系数d2；

实现方法如下：

(4.1.1)自适应频率振荡器组包括N个初始频率不同的自适应频率振荡器，每个自适应频率振荡器观测t时刻外骨骼关节结构运动角度的周期信号分量，从N个自适应频率振荡器中选择幅值最大的周期信号分量x以及x所在自适应频率振荡器的参数，该参数作为x的复现系数d2；N为大于1的自然数；

(4.1.2)设x的频率e，判断t之前一段时间内x信号的频率e是否收敛，如果收敛，则认为自适应频率振荡器组观测出了外骨骼关节结构运动角度的相位；如果不收敛，则认为人体处于非规律运动状态，d1和d2保持t-1时刻状态；

(4.1.3)将x的相位作为t时刻外骨骼关节结构运动角度的相位；

(4.2)频率振荡器根据t时刻外骨骼关节结构运动角度的相位和复现系数d2，复现出t+1时刻的相位信息，作为t+1时刻多项式函数的输入；

(4.3)利用t时刻外骨骼关节结构运动角度的相位和t时刻外骨骼关节结构运动角度，通过递推最小二乘法，对t时刻人体一个步态的关节位置运动曲线进行拟合，得到多项式函数幂次项系数d1；

(4.4)多项式函数根据幂次项系数d1和t+1时刻的输入，得到t+1时刻外骨骼关节结构运动角度。

2.根据权利要求1所述的一种基于规律行走步态学习的助力外骨骼装置，其特征在于：在主动助力的过程中，如果检测装置检测到人体待助力运动关节与外骨骼关节结构间相对运动偏差大于预先设定的阈值，则人体运动规律发生变化，此时，进入下一轮被动助力再到主动助力的过程。

3.根据权利要求1所述的一种基于规律行走步态学习的助力外骨骼装置，其特征在于：指令综合单元t+1时刻的混合运动指令i＝k1×a+k2×b，其中a为被动运动指令，b为主动运动指令，k1，k2为权重系数。

4.根据权利要求3所述的一种基于规律行走步态学习的助力外骨骼装置，其特征在于：所述权重系数k1，k2满足：k1+k2＝1。