[发明专利]基于子空间的膝关节外骨骼人机姿态偏差辨识方法及装置

说明书

本发明提供基于子空间的膝关节外骨骼人机姿态偏差辨识方法及装置，所述方法包括：获取膝关节外骨骼施加的力矩τ；将所述力矩τ输入状态空间模型，获取可用于人体姿态修正的角度信息，其中，所述状态空间模型对膝关节外骨骼关节角度与人体实际膝关节角度进行偏差辨识。本发明通过建立外骨骼关节力矩与膝关节姿态偏差的状态空间模型，利用子空间算法对模型进行辨识，获取修正后的人体姿态数据，从而实现在穿戴外骨骼状态下人体姿态的精确解算。

技术领域

本发明涉及外骨骼领域，特别涉及基于子空间的膝关节外骨骼人机姿态偏差辨识方法及装置。

背景技术

可穿戴式外骨骼机器人是通过精密机械装置协助人体完成动作的，它结合了外骨骼仿生技术和信息控制技术，涉及生物运动学、机器人学、信息科学、人工智能等跨学科知识。目前对于可穿戴外骨骼状态下的人体姿态估计采用两种办法，一种是直接使用外骨骼上的角度编码器或者是惯性传感器(IMU)进行计算，事实上通过这种方式计算的是外骨骼的姿态，忽略了人体姿态与外骨骼姿态的具有一定的偏差这个事实；另一种方法为通过绑缚在人体上的惯性传感器(IMU)通过卡尔曼滤波等方法对人体姿态进行估计，此方法在不穿戴外骨骼时可以获得比较精确的测量值，但是在穿戴外骨骼的情况下，其安装位置和测量精度都会受到外骨骼助力过程的影响。

因此，如何提供一种精准的基于子空间的膝关节外骨骼人机姿态偏差辨识方法及装置是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种膝关节外骨骼人机姿态偏差辨识方法。

基于子空间的膝关节外骨骼人机姿态偏差辨识方法，包括：

获取膝关节外骨骼施加的力矩τ；

将所述力矩τ输入状态空间模型，获取可用于人体姿态修正的角度信息，其中，所述状态空间模型对膝关节外骨骼关节角度与人体实际膝关节角度进行偏差辨识。

进一步地，建立所述状态空间模型包括以下步骤：

建立所述力矩τ与人体姿态偏差Δθ待辨识的参数方程；

输入伪随机二值序列得到实验数据；

利用子空间算法获取参数方程的表达式。

进一步地，所述建立所述力矩τ与人体姿态偏差Δθ待辨识的参数方程，包括：

获取外骨骼动力学方程，外骨骼动力学方程包括小腿外骨骼动力学方程和大腿外骨骼动力学方程；

对所述外骨骼动力学方程进行拉普拉斯变换，获取外骨骼人机偏差之间的参数模型；

对所述外骨骼人机偏差之间的参数模型进行离散化，获得待辨识的参数模型。

进一步地，所述小腿骨骼动力学方程为：C_l＝C₁L₁+C₂L₂，K_l＝K₁L₁+K₂L₂；

所述大腿骨骼动力学方程为：C_u＝C₁L₁+C₂L₂，K_u＝K₁L₁+K₂L₂；