[发明专利]一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法与系统

说明书

本发明公开了一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法，涉及机械外骨骼操控技术领域，包括步骤：根据下肢外骨骼各关节间的空间关系，以用户的髋部为基准坐标系构建运动学模型；基于步态运动过程中重心稳定原则，根据用户的步态参数规划运动学模型的足端轨迹；根据规划的足端轨迹，通过逆运动学分析获取各关节之间的角度调节信息；根据角度调节信息控制各关节处的电机实现下肢外骨骼的步态运动。本发明利用自主调节重心实现正常行走从竖直状态开始进行运动，使步态更加接近实际状态，解决现有技术需要先弯腿才能进行步态运动的反常规问题，从而更适合于下肢功能障碍者的康复治疗。

技术领域

本发明涉及机械外骨骼操控技术领域，具体涉及一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法与系统。

背景技术

下肢外骨骼机器人作为一种穿戴式机器人，能为人体提供支撑和助力助行等功能，并与穿戴者进行交互，从而增强人体的运动能力，具有明显的社会价值和经济价值。一方面，下肢外骨骼机器人能够通过辅助老年人，如辅助老年人行走、上下楼梯等活动，从而提高老年人的运动能力，为人口老龄化带来的养老社会问题提供有效缓解方案。另一方面，下肢外骨骼机器人还可以面向下肢功能障碍者等行动不便人群，为其提供一定的支撑帮助，通过后天的医疗康复运动，降低腿部肌肉过度萎缩造成的病情风险，加强下肢的康复运动，亦可促进行走能力的恢复。

然而，多功能步态规划，需与行走、上下楼梯过程中人们的步态相结合，使行走过程稳定且协调，规划结果直接影响下肢外骨骼机器人的辅助步行能力，具有一定的技术难度。

发明内容

为了更好的为老年人或者下肢功能障碍患者提供良好的行走助力帮助，本发明提出了一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划方法，包括步骤：

S1：根据下肢外骨骼各关节间的空间关系，以用户的髋部为基准坐标系构建运动学模型；

S2：基于步态运动过程中重心稳定原则，根据用户的步态参数规划运动学模型的足端轨迹；

S3：根据规划的足端轨迹，通过逆运动学分析获取各关节之间的角度调节信息；

S4：根据角度调节信息控制各关节处的电机实现下肢外骨骼的步态运动。

进一步地，所述S2步骤中，所述步态参数包括步长、步高、步态周期，所述运动模型在一个步态周期内包括支撑相和摆动相，支撑相和摆动相的周期相等。

进一步地，所述S2步骤中，重心稳定性原则为：下肢外骨骼在步态运动过程中，当步态周期处于支撑相时，用户在水平方向上的重心始终处于用户中心。

进一步地，所述S2步骤中，足端轨迹基于轨迹约束方程和五次多项式方程求得，其中所述轨迹约束方程包括，基于步长和步高的第一径向约束方程和第一垂向约束方程，在零冲击原则下基于速度和加速度的第二径向约束方程和第二垂向约束方程。

进一步地，所述足端轨迹可表示为如下公式：

式中，x和z为基准坐标下关节处的坐标，S为步长，T₀为步态周期，H为步高，t为一个步态周期内的时间。

进一步地，所述角度调节信息基于逆运动学分析可表示为如下公式：

式中，(p_x,p_z)为下肢外骨骼足端在基准坐标系中的空间坐标，θ₂为髋关节的角度调节信息，θ₃为膝关节的角度调节信息，L₂为用户小腿长度，L₃为用户大腿长度，s₃＝sinθ₃。

本发明还提出了一种基于重心稳定的下肢外骨骼步态规划系统，包括：