[发明专利]一种可穿戴柔性步行助力机器人控制系统及控制方法

权利要求书

1.一种可穿戴柔性步行助力机器人的控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1、安装控制系统：控制器和电机驱动器放置于使用者腰部位置；两个陀螺仪通过纺织带分别放置在使用者左右髋关节处，实时采集使用者的步态特征信息，测量人体髋关节的实时角速度信息；两个驱动装置左右对称安装在使用者腰部的可调节腰带上，每个驱动装置与一个牵引带的一端连接，牵引带的另一端放置在使用者膝关节上；每个牵引带均断开，断开处通过力传感器连接；力传感器用来测量牵引带的拉力值；控制器分别与电机驱动器、陀螺仪和力传感器放大器连接；电机驱动器与驱动装置连接；力传感器与力传感器放大器连接，力传感器放大器用来放大电压信号，并将信号传到控制器中；电源为控制器和电机驱动器供电；

步骤2、得到角速度信号并处理：陀螺仪实时采集使用者髋关节的原始角速度信号，并对原始角速度信号进行去噪处理，得到角速度信号；

步骤3、得到角度信号并处理：将步骤2得到的角速度信号在控制周期中通过控制器进行积分处理得到前进方向的原始角度信号曲线；原始角度信号曲线中存在积分的零点漂移现象，其解决方法是：开始试验时，陀螺仪先保持静止状态2-3s，找到零点，当下一时刻零点漂移时可将此时刻数值强行变为0，得到角度信号曲线；

步骤4、步态检测分析：根据人体髋关节的步态特征，一个步态周期内角度信号曲线具有两个波峰和一个波谷；使用者步行脚后跟着地时，髋关节的角度处于第一个波峰，脚尖抬起时处于波谷；通过步骤2得到的角速度信号和步骤3得到的角度信号判断出角度信号的波谷，记录当前时刻i₁和角度θ_min1；当使用者运动到下一个相邻波谷时，记录时刻i₂并更新角度θ_min2，因此使用者的步态周期T＝控制周期×(i₂-i₁)；用前三个步态周期计算出步态周期的平均值来预测下一个步态周期当使用者运动到第一个波峰时，记录时刻i₃和角度θ_max，因此使用者的摆动相周期T_b＝控制周期×(i₃-i₁)；记录此时的周期数，周期数即步数N；预先设定使用者腿长为L，计算得到步长D＝L×(sinθ_max-sinθ_min1)，步行比R＝D/N；

步骤5、力的波形生成：助力机器人对于使用者双腿在摆动相时提供助力，拉力的时间曲线为：其中-1≤α≤1，t为当前时刻减去前一个波谷时刻，α为助力波形参数，A为最大拉力；参数α的取值从1到-1时，助力波形会发生改变，波峰的时刻会依次后延；控制器实时进行以α为参数的步态分析，判断α取何值时助力效果最好，并进行参数的自适应变化，得到最优助力波形；

步骤6、控制驱动装置：力传感器实时采集牵引带上的实际力信号，将实际力和步骤5得到的最优助力波形全部输入到控制器中，采用控制器中的PSMC算法，得到PWM占空比来控制驱动装置，进而拉动牵引带产生助力，使得实际力跟随最优助力波形，实现助行控制。

2.根据权利要求1所述的可穿戴柔性步行助力机器人的控制方法，其特征在于对原始角速度信号进行去噪处理，具体是：将原始角速度信号输入到控制器的巴特沃斯滤波器中通过低通滤波进行去噪处理；巴特沃斯滤波器的采样频率为1000Hz、截止频率为30Hz。

3.根据权利要求2所述的可穿戴柔性步行助力机器人的控制方法，其特征在于控制周期与巴特沃斯滤波器的采样频率对应。

4.根据权利要求1所述的可穿戴柔性步行助力机器人的控制方法，其特征在于步骤5中，以α为参数的步态分析的具体方法是：以健康老年人的步行比Rtv为控制目标，当步骤4得到的步行比R与Rtv满足R-Rtv≥E，E＝0.003，则下一个周期的助力波形参数变为α+Δα；Δα＝0.01；当步行比R与Rtv满足R-Rtv≤E，E＝0.003，则下一个周期的助力波形参数为α。