[发明专利]一种用于下肢外骨骼的运动意图识别及装置方法

说明书

一种用于下肢外骨骼的运动意图识别及装置方法，属于下肢外骨骼机器人感知技术领域。所述运动意图识别装置包括下肢肌电信号采集模块、足底压力采集模块、下肢惯性信息测量模块、数据采集与传输模块和中央控制器。所述方法采用一对一SVM多分类得到基于足底压力信号的离线数据库步态轨迹，采用CNN在线关节角度估计模型得到基于肌电信号的关节角度实时预测轨迹，并且依据肌肉疲劳程度将两种轨迹进行变增益信息融合，为外骨骼机器人的下肢关节驱动提供精确的运动期望轨迹。本发明有效地结合了肌电信号的超前性和足底压力信号的稳定性，极大程度上提高了运动意图识别的准确性和实时性，为外骨骼机器人的安全性和助力效率提供充足的保证。

技术领域

本发明属于下肢外骨骼机器人感知技术领域，具体涉及一种下肢外骨骼机器人运动意图识别的装置及方法。

背景技术

随着现代科技的飞速发展，武器装备水平越来越成为现代战争胜利的重要保证，单兵作战外骨骼在军事斗争中地位逐渐上升。同时，现代社会的老龄化问题日益严重，其中腿脚不便是老年人生活中的严重问题之一，轻型助行外骨骼对提高老年人的生活质量有重要的意义。

外骨骼机器人作为典型的人机协作机器人，准确快速的识别人体运动意图一直是研究的一大困扰。目前应用于下肢外骨骼机器人的运动意图识别方法主要有三种：1、基于足底压力的步态相位识别，这种方法只能识别出人体运动步态周期的相位划分，进而作为开关量信号配合柔顺控制算法使用，无法识别不同路况及不同的运动动作；2、基于表面肌电信号(sEMG)的运动意图识别，表面肌电信号产生于动作执行之前，具有一定的超前性，但肌电信号内部包含运动信息太多，目前技术主要聚焦于肌肉激活度，识别模型较为复杂；3、基于力传感器的人体运动意图识别，通过力传感器检测人体和外骨骼的交互力，并根据交互力大小对人体运动意图进行识别，其识别效果较好，但多维力传感器价格昂贵，同时体积较大，需要固定在外骨骼机器人上，增加成本。

发明内容

针对上述现有识别技术的不足之处，本发明提出了一种用于下肢外骨骼的运动意图识别方法及装置。

本发明的技术方案是：

一种用于下肢外骨骼的运动意图识别装置，所述运动意图识别装置包括下肢肌电信号采集模块、足底压力采集模块、下肢惯性信息测量模块、数据采集与传输模块和中央控制器；

足底压力采集模块固定在外骨骼传感鞋上，包括足底压力传感器和足底压力变送模块；足底压力传感器为三个薄膜型压力传感器，分别固定在穿戴者大拇趾前端、小拇趾末端和足跟对应位置的传感鞋上；足底压力变送模块采用全桥电路检测压力传感器的电阻变化，以及二阶低通滤波电路对电压信号进行放大和滤波，足底压力变送模块输出端连接数据采集与传输模块；

下肢肌电信号采集模块主要由Ag/AgCl电极、前置放大电路、工频陷波电路、低通和高通滤波电路、二级放大电路和电压抬升电路构成，分别采集大腿和小腿的六个与关节运动相关肌群的表面肌电信号；

下肢惯性信息测量模块包括两个惯性传感器，用于采集穿戴者下肢的加速度信息、角速度信息及角度信息，惯性传感器安装在穿戴者的小腿处和大腿处；惯性传感器输出端连接数据采集与传输模块；

数据采集与传输模块包括微控制器和总线通讯模块，固定在外骨骼机器人的脚踝处，对肌电信号、足底压力和人机交互力信号进行采集和预处理，将预处理后的信号通过CAN总线传送到工控机模块；

中央控制器通过CAN总线接收数据采集与处理模块发送的数据，并对传感器信号进行实时处理，与预先定义的人体步态及路况进行最佳匹配，实时识别穿戴者的运动意图。

一种用于下肢外骨骼的运动意图识别方法，包括如下步骤：

步骤1：穿戴者穿戴用于下肢外骨骼的运动意图识别装置，通过足底压力采集模块和下肢肌电信号采集模块在不同路况下完成不同的步态动作，同步采集穿戴者的足底压力信号和表面肌电信号；