[发明专利]基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法

说明书

基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，属于外骨骼关节运动控制领域，基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动复现方法具体为，力矩补偿：外骨骼处于力矩控制模式；信息采集：通过外骨骼的驱动器采集健康人典型动作时的各关节运动数据，将数据处理后，便获得各典型动作的关节运动数据参考；控制模式转换：设计基于状态机的外骨骼位置控制方法；轨迹输出：截瘫患者穿戴助行外骨骼，外骨骼主动带动患者按照参考的关节轨迹运动，同时通过状态机的状态切换实现患者在不同状态下的下肢关节运动复现。利用本发明实现的步态更加自然、舒适，本发明运动复现过程简单。穿戴式助行外骨骼关节运动的自然性、舒适性差与患者关节运动的适配性好。

技术领域

本发明涉及两种下肢关节运动控制方法，具体涉及两种利用穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法。属于外骨骼关节运动控制领域。

背景技术

我国有上千万由于脑卒中、脑中风、脊髓损伤、骨外伤等原因导致截瘫或偏瘫等下肢功能丧失的患者，同时不断增长的大量下肢功能减弱的老龄人口。针对这两大类人群，穿戴式助行外骨骼以其良好的拟人性与人机交互特点被寄予极大期望，目前已经开始了小范围的临床测试，前景十分广阔。

穿戴式助行外骨骼的基本工作原理是通过驱动其主动关节带动患者的关节被动运动，从而实现运动功能的复现。目前，患者在穿戴助行外骨骼实现运动时，关节的原始运动参考数据基本上是利用基于视觉或惯性单元的运动捕捉设备采集正常人运动而得到的。不仅，需要额外购置与使用专业的运动捕捉设备，而且，存在数据采集与转换过程的近似处理、人体与外骨骼之间的运动关节异构、不同人体的不同运动方式与特征等问题，导致外骨骼生成的关节运动欠缺自然性与舒适性，与患者关节运动的适配性不高，后期需要大量的修正与优化工作。

发明内容

本发明是为解决现有穿戴式助行外骨骼关节运动的自然性、舒适性差与患者关节运动的适配性差、以及后期修正与优化工作量大的问题，进而提供一种基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法。设计两种面向不同应用情形的基于穿戴式外骨骼的下肢关节运动控制方法：面向下肢截瘫患者设计双下肢关节运动控制方法，面向下肢偏瘫患者设计健侧肢映射患侧肢的关节运动控制方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

方案一：基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，所述穿戴式助行外骨骼的控制和驱动系统包括上位机、主控制器和关节，关节包括髋关节和膝关节；

所述髋关节和膝关节所用的驱动系统分别包括传动系统、电机和驱动器；

上位机实现多种信息的采集及与主控制器的通讯；

力矩补偿：外骨骼处于力矩控制模式，各关节的电机驱动各自关节输出一定的力矩，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，健康人带动外骨骼运动；

信息采集：通过外骨骼电机驱动器采集健康人在进行站起、坐下、行走、上下楼梯典型动作时的各关节运动数据，将数据处理后，便获得各典型动作的关节运动数据参考；

控制模式转换：设计基于状态机的外骨骼位置控制方法，将获得的各典型动作的关节运动数据参考导入到状态机中，将外骨骼设置为位置控制模式，储存在程序中的关节的运动角度位置数据，通过计算转化为电机脉冲信号，通过CAN通讯发送给电机的驱动器来控制电机运动，进而完成外骨骼机器人带动下肢关节相应动作。

方案二：基于穿戴式助行外骨骼的下肢关节运动控制方法，所述穿戴式助行外骨骼的控制和驱动系统包括上位机、主控制器和关节，关节包括髋关节和膝关节；

所述髋关节和膝关节所用的驱动系统分别包括传动系统、电机和驱动器；

上位机实现多种信息的采集及与主控制器的通讯；

力矩补偿：外骨骼健侧肢处于力矩控制模式，补偿外骨骼的重力、惯性、以及关节摩擦力矩，外骨骼由偏瘫患者的健康侧下肢穿戴并运动；