[发明专利]一种基于遗传算法的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法

权利要求书

1.一种基于遗传算法的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，所述方法将生物能计算方法嵌入遗传算法中求解最优的踝关节外骨骼辅助力矩；遗传算法的目标函数为使步态周期的生物能成本最小；遗传算法的个体是人体的生物力矩，每一个个体可求得对应的外骨骼辅助力矩，通过遗传算法求解得到种群里的最优个体，进而得到最优个体对应的最优外骨骼辅助力矩。

2.根据权利要求1所述的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，遗传算法设置四个约束，其中：

第一个约束为生物力矩约束，生物力矩数值须在0和跖屈肌总力矩之间；

第二个约束为外骨骼辅助力矩峰值约束，限定外骨骼的辅助力矩峰值为一定比例的跖屈肌总力矩最大值；

因为背屈肌肌肉效率过低，因此第三个约束为配合约束；

外骨骼辅助力矩不使人体产生拮抗力矩增量；一般来说，在非主要步态段施加辅助力矩的代谢收益太小，因此第四个约束是非主要步态段外骨骼不施加辅助力矩。

3.根据权利要求2所述的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，非主要步态段指步态周期10％之前以及65％之后的阶段。

4.根据权利要求3所述的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，四个约束均可转化为以生物力矩为主体变量来表达，以跖屈肌为例，表达形式如下所示：

0≤M_MTU(t)≤M_PFTOTAL(t)

M_MTU(t)≥M_PFTOTAL(t)-max(M_PFTOTAL(t))·k

M_MTU(t)≥M_MIN(t)

M_MTU(t)＝M_PFTOTAL(t)(tp10％或tp65％)

其中，M_MTU(t)为生物力矩，k为外骨骼辅助力矩峰值约束中的限定比例，M_PFTOTAL(t)为完成步行所需的总力矩，M_MIN(t)为生物力矩下限，tp为当前步态百分比。

5.根据权利要求4所述的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，四个约束共同约定了生物力矩数值的上下界，通过一个元素数值均在0到1之间的数列x(t)，即可代表一个生物力矩，如下所示：

M_MTU(t)＝Lb+x(t)(Ub-Lb)

其中，Lb为生物力矩的下界，Ub为生物力矩的上界。

6.根据权利要求5所述的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，将步态周期从0％到100％，每1％设置一个x，则总共有101个x构成x(t)，一个x(t)代表一种生物力矩曲线。

7.根据权利要求6所述的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，为了防止陷入局部最优，通过曲线插值和曲线平滑的数值运算操作使生物力矩曲线达到一定的光滑程度。

8.根据权利要求6所述的步行踝关节外骨骼辅助力矩生成方法，其特征在于，遗传算法的目标函数为单个步态周期的小腿三头肌的生物能成本。