[发明专利]基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法

权利要求书

1.一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)对于待控制下肢外骨骼，实时检测该下肢外骨骼的髋关节和膝关节各自的关节角度和关节角速度，将该关节角度和关节角速度与预设的摆动相切换条件进行比较，以第一个满足摆动相切换条件的状态作为起始点，所述待控制下肢外骨骼以该起始点为起点进入摆动相；

(b)基于所述起始点和多个预设的髋关节和膝关节关节角度协调点，构建在摆动相下髋关节和膝关节关节角度之间的理想协调运动曲线；

(c)实时监测进入摆动相后所述待控制下肢外骨骼每个时刻的髋关节和膝关节的关节角度θ，将该θ与基于所述理想协调运动曲线计算出的髋关节和膝关节的理想协调角度θ_c相比较，当|θ-θ_c|大于预设可接受阈值时，对所述待控制下肢外骨骼施加力矩，实时调整其运动轨迹，以此实现所述待控制下肢外骨骼协调步态的控制，其中，θ＝[x,y]^T，x,y分别为矢状面内髋、膝关节的关节角度值。

2.如权利要求1所述的一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述摆动相切换条件为：同时满足髋关节关节角度小于预设髋关节关节角度阈值，膝关节关节角度大于预设膝关节关节角度阈值，以及髋关节的关节角速度大于预设髋关节关节角速度阈值，即：

θ_h＜θ_{h_thr}，θ_k＞θ_{k_thr}，

其中，θ_h是髋关节关节角度，θ_{h_thr}是预设髋关节关节角度阈值，θ_k是膝关节关节角度，θ_{k_thr}是预设膝关节关节角度阈值，是髋关节的关节角速度，ω_{h_thr}是预设髋关节关节角速度阈值。

3.如权利要求2所述的一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，其特征在于，在平地行走步态运动中,所述θ_{h_thr}为5°，所述θ_{k_thr}为30°，所述ω_{h_thr}为-50°s^-1。

4.如权利要求1或2所述的一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述构建理想协调运动曲线按照下列步骤：从人体步态运动学数据库中，获取摆动相下不同时刻对应的髋关节和膝关节的关节角度，然后将所述不同时刻的数据与所述起始点处的数据拟合为一条曲线，该曲线即为所述理想协调运动曲线，其中，所述起始点处的数据包括起始点处对应的髋关节和膝关节的关节角度。

5.如权利要求1或2所述的一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述理想协调运动曲线f(x,y)采用椭圆曲线，如下：

f(x,y)＝a₆x²+a₅y²+a₄xy+a₃x+a₂y+a₁＝0

其中，a₁，a₂，a₃，a₄，a₅，a₆分别是可唯一确定椭圆的参数，x,y分别为矢状面内髋、膝关节的关节角度值。

6.如权利要求1或2所述的一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述理想协调角度θ_c为所述理想协调运动曲线上与所述角度θ欧式距离最短的点。

7.如权利要求1或2所述的一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法，其特征在于，在步骤(c)中，对所述待控制下肢外骨骼施加力矩，该力矩采用PD控制律输出。

8.如权利要求1所述的一种基于人体步态运动协调特性的外骨骼协调步态控制方法其特征在于，在步骤(c)中，所述施加的力矩大小按照下列方式计算：

其中，e＝θ-θ_c，k_p是控制器角度误差增益系数,k_d是控制器速度误差项系数，δ是设定的可接受协调运动偏差。