[发明专利]一种测量研究穿戴外骨骼交互力的分析方法

说明书

本发明属于测量技术领域，提供了一种测量研究穿戴外骨骼交互力的分析方法，通过安装在外骨骼和人体绑缚位置的薄膜压力传感器检测外骨骼和人体在整个步态过程中的法向接触力的变化，再通过电流传感器测得关节驱动处的驱动电机电流变化数据。基于运动学数据以及地面支反力数据分析外骨骼与人体在法向上的交互力，同时其数值大小和趋势作为生物力学仿真软件的参考依据，用以调整虚拟肌肉的强度和位置以与实际值相近，本发明以交互力为作为外骨骼设计合理性的评价指标方便，快捷可操作性强，且能够模拟在动作捕捉系统的实验室情况下自由活动的情况，最大程度上还原外骨骼本身机械结构和控制算法对于佩戴者的穿戴影响，提高分析结果的准确性。

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种测量研究穿戴外骨骼交互力的分析方法。

背景技术

近年来，由于人口老龄化程度的不断加剧以及人们生活质量的不断改善，外骨骼作为增强或辅助运动活动设备逐渐进入人们视野。关于外骨骼的结构设计，穿戴外骨骼的步态识别、相应的控制算法，辅助效果评价逐渐成为机器人学，人因工程学以及军事科学等多个学科的研究热点。

但是外骨骼不合理的机械结构，譬如说绑缚位置，电机安装位置，传动装置会在人-外骨骼系统中产生较大不合理的交互力，极大的影响了佩戴者穿戴外骨骼舒适性以及后续的治疗辅助效果。除此之外不合理的控制算法和错误的步态识别同样会导致严重的后果造成行走失稳，关节欠伸或者过伸，产生步态混乱以及绊跌，影响佩戴者的一个正常行走。

现有分析外骨骼主要是通过分析肌电信号，代谢率等方式，准备时间较长，设备操作复杂，且主要都是研究人体对于外骨骼穿戴的前后生理变化，但是人体生理变化对外界即为敏感，分析肌电信号和代谢率的方法易受受试者的状态，心情影响，均会对外骨骼性能评估产生干扰，造成交互力分析结果的精确程度低。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种测量研究穿戴外骨骼交互力的分析方法。

本发明提供了一种测量研究穿戴外骨骼交互力的分析方法，用于对外骨骼与穿戴外骨骼的使用者之间产生的交互力进行分析，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤S1，采集使用者的肌骨特征，建立肌骨模型；步骤S2，建立待分析外骨骼模型，通过生物力学仿真软件对肌骨模型和待分析外骨骼模型进行运动学约束和动力学约束，得到待分析外骨骼耦合模型；步骤S3，通过动作捕捉系统捕捉使用者的运动学数据以及地面支反力数据，并根据运动学数据以及地面支反力数据在生物力学仿真软件中建立待分析外骨骼耦合模型的接触元件；步骤S4，设置生物力学仿真软件的分析参数，使用生物力学仿真软件对待分析外骨骼耦合模型以及接触元件进行逆动力学分析，得到人机交互力预测结果；步骤S5，采集外骨骼在使用者的使用过程中的运动学参数和实时电流变化数据；步骤S6，将运动学参数和实时电流数据输入生物力学仿真软件得到人机交互力检测结果；步骤S7，将步骤S4中得到的人机交互力预测与步骤S6中得到的人机交互力检测结果进行肌肉激活相似程度对比判断，当肌肉激活相似程度小于预定阈值时，判断为否，回到步骤S4，并重新设置生物力学仿真软件的参数，当肌肉激活相似程度大于等于预定阈值时，判断为是，输出人机交互力分析结果，得到生物力学仿真软件分析人机交互力的最佳参数。

在本发明提供的测量研究穿戴外骨骼交互力的分析方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤S5中，通过设置在外骨骼上的霍尔电流传感器采集运动学参数。

在本发明提供的测量研究穿戴外骨骼交互力的分析方法中，还可以具有这样的特征：其中，外骨骼由驱动电机驱动，在步骤S5中，通过采集驱动电机的电流变化得到实时电流变化数据。

在本发明提供的测量研究穿戴外骨骼交互力的分析方法中，还可以具有这样的特征：其中，生物力学仿真软件为Anybody软件。

发明的作用与效果