[发明专利]一种用于负重外骨骼助力效率的检测方法

说明书

一种用于负重外骨骼助力效率的检测方法，包括，1)人不穿戴外骨骼并且不背负重物，采用三维运动采集系统和测力跑台获得运动学和动力学信息，以逆动力学解算的人体关节力矩作为基准，对基于表面肌电信号的人体关节力矩正向测试模型进行验正；2)人穿戴外骨骼并负重G₁，采用基于表面肌电信号的方法，得到髋、膝、踝关节的力矩与时间的关系；3)人不穿戴外骨骼，进行0到40kg负重测试，测试该时间段内不同负重下人体的髋、膝、踝关节的力矩与时间的关系；4)根据实验测得的不同负重下，不穿戴外骨骼时人体负重与人体总关节驱动力矩间的数据，得到有效负重与总负重的比值，本发明为外骨骼下肢关节力矩测试提出了一种新的方法。

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人技术领域，特别涉及一种用于负重外骨骼助力效率的检测方法。

背景技术

负重外骨骼是基于仿生外骨骼的设计，通过传感器感知及智能控制等技术，为穿戴者提供身体支撑与运动辅助以及增强负载能力，辅助穿戴者完成独自无法完成的任务的可穿戴式机器人。

但目前行业内针对外骨骼的助力效率的检测没有统一的方法，大多采用间接的综合测量方式，对人体穿戴及不穿戴外骨骼场景下完成特定任务时人体综合生理信息或外骨骼灵敏度等性能指标进行测量，如利用心肺功能测试仪测试二氧化碳排放量及耗氧量、肌肉活性、实现人体疲劳程度及助力效率的评定。这些方法都涉及人的新陈代谢过程，仅测量误差就可达10％，同时受到不同受试者个体因素差异及其他环境因素的影响，最终测试结果存在一定误差。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于负重外骨骼助力效率的检测方法，通过在一定时间t内，计算人体在穿戴外骨骼负重下髋、膝、踝主要助力关节提供的力矩，再保证人体在不穿戴外骨骼时的相关主要助力关节提供的力矩相等的情况下，通过测量计算这两种情况下测试者所背负的重量来进行助力效率的评定。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于负重外骨骼助力效率的检测方法，包括以下步骤；

1)人不穿戴外骨骼并且不背负重物，在三维测力跑台上以速度v行走t₁时间，采用三维运动采集系统和测力跑台获得运动学和动力学信息，以逆动力学解算的人体关节力矩作为基准，对基于表面肌电信号的人体关节力矩正向测试模型进行验证；

2)人穿戴外骨骼并负重G₁，采用基于表面肌电信号的方法，测试在三维测力跑台上以速度v行走t₁时间段内髋、膝、踝关节的力矩与时间的关系M_髋-t、M_膝-t、M_踝-t；

3)人不穿戴外骨骼，进行0到40kg负重测试，测试间隔为5kg，从0kg开始，每次测试负重增加5kg，在三维测力跑台上以同样速度v行走相同时间段t₁，测试该时间段内不同负重下人体的髋、膝、踝关节的力矩与时间的关系M_髋1-t、M_膝1-t、M_踝1-t；

4)根据实验测得的不同负重下，不穿戴外骨骼时人体负重与人体总关节驱动力矩间的数据，通过插值补点作出不穿戴外骨骼时负重与关节力矩的拟合曲线，再将穿外骨骼时负重为G₁时计算得到的关节力矩M代入到拟合曲线，得到在关节力矩为M时不穿戴外骨骼的人体负重G₂，那么助力外骨骼平均助力效率η即为外骨骼机器人有效负重与总负重的比值，即：

式中，η为效率，G₁为穿戴外骨骼机器人时背负的重量，G₂为在人体主要助力关节力矩相等的情况下，不穿戴外骨骼时人体负重的大小。