[发明专利]一种基于代数方法的膝关节外骨骼关节状态估计方法

权利要求书

1.一种基于代数方法的膝关节外骨骼关节状态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立膝关节外骨骼机器人的阻抗模型，包括人体膝关节的阻抗模型和膝关节外骨骼的阻抗模型，然后将两者联立形成最终的膝关节外骨骼人机交互模型；

步骤2、对步骤1的人机交互阻抗模型建立角度状态估计器：对膝关节外骨骼输入/输出表达式进行Laplace变化，利用代数方法进行推导，可以得到膝关节外骨骼的角度估计表达式；

步骤3、基于步骤2得到的膝关节外骨骼角度的估计结果，利用代数方法得到膝关节外骨骼角速度的估计表达式；

步骤4、基于步骤2得到的膝关节外骨骼角度的估计结果以及步骤3得到的膝关节外骨骼角速度估计结果，利用代数方法表示出膝关节外骨骼角加速度的估计表达式；

步骤5、基于前面步骤得到的膝关节外骨骼角度、角速度和角加速度估计结果，使用低通滤波器对初始时刻的尖锐毛刺进行消除，得到比较平滑的三种运动状态的估计表达式。

2.根据权利要求1所述的估计方法，其特征在于，步骤1建立膝关节外骨骼机器人的阻抗模型，具体为：

其中J_o、J_h分别为膝关节外骨骼、人体下肢转动惯量；θ_j为人体膝关节运动角度；B_o、B_h分别为膝关节外骨骼、人体下肢阻尼系数；T_j、T_h分别为膝关节外骨骼、人体下肢的扭矩；G_o(θ_j)、G_h(θ_j)分别为膝关节外骨骼、人体下肢的重力表达式。

3.根据权利要求1所述的估计方法，其特征在于，步骤2建立角度状态估计器，具体包括以下步骤：

2.1、定义膝关节外骨骼输入/输出表达式：

其中y(t)表示膝关节外骨骼系统的输出，即膝关节角度θ_j；u(t)表示膝关节外骨骼系统的输入，即膝关节外骨骼力矩T_j；

2.2、对输入/输出表达式作Laplace变化：

其中y(0)表示输出值的初始状态；G_h(s)和G_o(s)分别表示拉氏变换后的G_h(t)和G_o(t)表达式；

2.3、将等式(5)对s进行二阶求导、两边分别乘以s^-2、再进行Laplace逆变换，写成时域表达式：

其中y_e(t)表示膝关节外骨骼角度估计结果；t表示大的分割区间长度，φ表示小的分割区间长度；G_h(φ)、G_o(φ)、u(φ)和y(φ)分别表示小的区间窗口φ下的G_h(t)、G_o(t)、u(t)和y(t)的表达式。

4.根据权利要求2所述的估计方法，其特征在于，步骤3得到膝关节外骨骼角速度的估计表达式，具体包括以下步骤：

3.1、求解膝关节外骨骼角速度估计表达式：

3.2、根据代数方法对等式(9)进行Laplace逆变换，将其写成时域表达式：

其中，表示膝关节外骨骼角速度，y_e(t)表示估计出来的膝关节外骨骼角度。

5.根据权利要求3所述的估计方法，其特征在于，步骤4得到膝关节外骨骼角加速度的估计表达式为：

6.根据权利要求2所述的估计方法，其特征在于，步骤5得到比较平滑的三种运动状态的估计表达式，具体包括以下步骤：

5.1、建立用以消除毛刺的低通滤波器：

其中τ表示滤波器的时间系数；

5.2、将上述滤波器转换回时域表达式加入上述角度、角速度和角加速度估计表达式中，得到最终既平滑又准确的角度、角速度和角加速度的状态估计表达式：

其中y_ef(t)、和分别表示增加滤波器之后的膝关节外骨骼角度、角速度和角加速度估计；τ₁表示角度滤波器的时间系数；τ₂表示角速度滤波器的时间系数；τ₃表示角加速度滤波器的时间系数。