[发明专利]一种外骨骼机器人对侧训练用在线步态生成控制系统

权利要求书

1.一种外骨骼机器人对侧训练用在线步态生成控制系统，其特征在于：该外骨骼机器人包括健侧运动机构和患侧运动机构，该在线步态生成控制系统包括健侧预运动数据采集模块、传感器信号采集与处理模块、健侧患侧数据转换模块和患侧步态修正模块；

在健侧运动机构的髋关节和膝关节位置分别设置健侧髋关节直流伺服电机和健侧膝关节直流伺服电机，记健侧髋关节直流伺服电机编码器值为C_{H_J}，记健侧膝关节直流伺服电机编码器值为C_{H_K}，通过健侧脚部压力传感器检测健侧脚部总压力F_H；

在患侧运动机构的髋关节和膝关节位置分别设置患侧髋关节直流伺服电机和患侧膝关节直流伺服电机，记患侧髋关节直流伺服电机编码器值为C_{S_J}，记患侧膝关节直流伺服电机编码器值为C_{S_K}，通过患侧脚部压力传感器检测患侧脚部总压力F_S；

所述健侧预运动数据采集模块包括健侧大腿惯性传感器和健侧小腿惯性传感器，健侧大腿惯性传感器用于检测健侧大腿角速度ω_{H_thigh}和健侧大腿俯仰角度θ_{H_thigh}，健侧小腿惯性传感器用于检测健侧小腿角速度ω_{H_shank}和健侧小腿俯仰角度θ_{H_shank}；

根据{ω_{H_thigh}，θ_{H_thigh}，ω_{H_shank}，θ_{H_shank}}计算健侧髋关节变化角度Φ_{H_J}和健侧膝关节变化角度Φ_{H_K}；将健侧和患侧各踏出一步称为一个全步态周期T，将T等间隔划分为Q份，对间隔点t对应的{Φ_{H_J},Φ_{H_K}}进行归一化形成t时刻的步态相位标本t＝0,1,2,…,(Q-1)，所有间隔点t对应的步态相位标本构成步态相位标本集；所述步态相位包括摆动相位和支撑相位；患侧踏出一步处于0～50％全步态周期，健侧踏出一步处于50～100％全步态周期：在0～50％全步态周期，健侧为支撑相位，患侧为摆动相位；在50～100％全步态周期，健侧为摆动相位，患侧为支撑相位；

所述传感器信号采集与处理模块采集健侧实际值和患侧实际值为健侧髋关节直流伺服电机编码器实际值，为健侧膝关节直流伺服电机编码器实际值，为健侧脚部总压力实际值，为患侧脚部总压力实际值；

根据脉冲与角度的换算关系，由计算健侧实际值为健侧髋关节变化角度实际值，为健侧膝关节变化角度实际值；

根据和逻辑关系判断健侧为支撑相位还是摆动相位，判断是否满足患侧起步条件，若满足，对比和步态相位标本集，使得与全步态周期T的间隔点t时间对齐；采用窗口移动的方法对比和步态相位标本集，设定吻合度标准差阈值σ_max，的预采样点数为N₀，窗口长度为M，计算和窗口内的步态相位标本的方差：若方差小于σ_max时，则匹配成功，在时间上对齐全步态周期；否则，将窗口移动一位，重复计算和窗口内的步态相位标本的方差；如此循环，直至方差小于σ_max；

所述健侧患侧数据转换模块基于左右腿的对称原则将转换为患侧预执行时序值为患侧髋关节变化角度预执行时序值，为患侧膝关节变化角度预执行时序值；所述左右腿的对称原则是一条腿为摆动相位时，另一条腿为支撑相位，两条大腿与重力加速度向量的夹角大小相等、方向相反；左右膝关节在全步态周期的25％和75％时间点均呈现偶对称特性，左右髋关节在全步态周期的50％时间点呈现偶对称特性；

所述患侧步态修正模块计算空间修正参数α，根据实际采样点数和预采样点数之间的比值计算时间修正参数β，并使用α和β对进行修正得到患侧目标时序值为患侧髋关节变化角度目标时序值，为患侧膝关节变化角度目标时序值，根据计算患侧髋关节直流伺服电机和患侧膝关节直流伺服电机的输出位置和插值时间；

全步态周期T的间隔点t对应的空间修正参数α^t为当前时刻及向前共N个实际采样点的实际重心高度H^R和标准站立位重心高度H_O之间的均方根误差值，N表示实际采样点数，表示第i个实际采样点上采集到的实际重心高度H^R；全步态周期T的间隔点t对应的时间修正参数β^t为实际采样点数N和预采样点数N₀之间的比值，重心为盆骨中心点。