[发明专利]基于外骨骼的穿戴式走步健身系统及控制方法与存储介质

权利要求书

1.一种基于外骨骼的穿戴式走步健身系统的控制方法，所述外骨骼穿戴于走步健身人员的身上，包括腰部穿戴单元、大腿杆单元及用于连接前述二者的髋关节单元；所述大腿杆单元包括大腿杆与大腿绑带；所述髋关节单元包括关节驱动电机，所述关节驱动电机用于驱使所述大腿杆相对所述腰部穿戴单元摆动；其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

监测数据接收步骤，在所述走步健身人员的走步健身过程中，接收关节监测传感器所输出的监测数据，所述监测数据包括大腿杆在走步健身过程中的髋关节角度θ(t)与髋关节角速度ω(t)；

数据预处理步骤，按下式将基于时间序列的髋关节角度θ(t)与髋关节角速度ω(t)变换成基于时间序列的相角占比基于该相角占比在[0,2π)范围的周期变化特性，对不同步幅不同步速的髋关节角度与髋关节角速度数据进行分割处理，以获取所述大腿杆在步态各个周期内的摆动相区间和支撑相区间；

走步阻力施加步骤，在所述摆动相区间内，依据走步阻力与所述大腿杆的摆幅及摆动角速度变化率呈正相关的设定，按照对应时间序列构建走步阻力与相角占比的关系曲线；并按照所述关系曲线，控制所述关节驱动电机对处于摆动相区间内的所述大腿杆的摆动过程施加反向的走步阻力。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述走步阻力与所述大腿杆的摆幅及摆动角速度变化率的设定为：

τ_i＝λ·k·τ_pre

其中，τ_i为相角占比阶段的期望阻力矩，τ_pre为预设最大人体走路阻力矩，λ是髋关节屈伸角速度修正系数，k是髋关节角度修正系数，分别为：

其中，ω_min，ω_m，ω分别为人体在走步健身过程中的一个周期内髋关节屈伸角速度设定最小值、设定平均值以及实际采集值；θ_min，θ_m，θ分别为人体在走步健身过程中的一个周期内髋关节角度设定最小值、设定平均值以及实际采集值。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，不同相角占比时的预设阻力矩τ_pre按照下表，以查表方式获取经归一化之后的值：

其中，预设阻力矩τ_pre为按照力矩/体重作归一化处理后的值，在经查表之后，再根据不同走步健身人员的体重计算实际预设阻力矩。

4.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有用于对穿戴式走步健身系统进行控制的计算机程序，其特征在于，当所述计算机程序被执行时，能实现权利要求1至3任一项权利要求所述的控制方法。

5.一种基于外骨骼的穿戴式走步健身系统，所述外骨骼穿戴于走步健身人员身上，包供电电池、控制单元及自上而下依次连接的腰部穿戴单元、髋关节单元与大腿杆单元；所述大腿杆单元包括大腿杆与大腿绑带；所述髋关节单元包括用于连接所述大腿杆与所述腰部穿戴单元的关节驱动电机，及关节监测传感器；所述关节监测传感器用于获取所述大腿杆在穿戴人员走步健身过程中的髋关节角度θ(t)与髋关节角速度ω(t)；所述关节驱动电机用于驱使所述大腿杆相对所述腰部穿戴单元摆动；其特征在于：

所述控制单元用于依据所述关节监测传感器所输出的监测数据，控制所述关节驱动电机至少对处于摆动相区间内的所述大腿杆的摆动过程施加反向的走步阻力，且所述走步阻力与所述大腿杆的摆幅及摆动角速度变化率呈正相关；

所述控制单元用于按下式将基于时间序列的髋关节角度θ(t)与髋关节角速度ω(t)变换成基于时间序列的相角占比基于该相角占比在[0,2π)范围的周期变化特性，对不同步幅不同步速的髋关节角度与髋关节角速度数据进行分割处理，以获取所述大腿杆在步态各个周期内的摆动相区间和支撑相区间；

在所述摆动相区间内，依据走步阻力与所述大腿杆的摆幅及摆动角速度变化率呈正相关的设定，按照对应时间序列构建走步阻力与相角占比的关系曲线；并按照所述关系曲线，控制所述关节驱动电机对处于摆动相区间内的所述大腿杆的摆动过程施加反向的走步阻力。