[发明专利]基于多传感器融合的下肢运动位姿快速预测系统及方法

说明书

基于多传感器融合的下肢运动位姿快速预测系统，包括表面肌电传感器、惯性传感器、位姿响应模块、位姿解算模块和外部辅助装置。外部辅助装置穿戴在穿戴者腰部和下肢上；表面肌电传感器实时获取穿戴者下肢各肌肉表面肌电信号；惯性传感器固定在外部辅助装置上；位姿响应模块根据采集的各肌肉表面肌电信号时序确定当前下肢各肌肉表面肌电信号对应的运动状态；位姿解算模块将惯性传感器采集的各关节运动角度与解算估计出的关节运动角度进行短时动态加权数据融合，实时获得穿戴者下肢运动姿态和关节的位置坐标。本发明同时提供了下肢运动位姿快速预测方法。本发明能够对人体下肢运动位姿进行快速预测，同时提高了连续运动量的估计精度。

技术领域

本发明涉及基于多传感器融合的下肢运动位姿快速预测系统及方法，属于外骨骼机器人和人机协同控制领域。

背景技术

目前，在康复训练及助力助行方面，外骨骼机器人作为可替代人工辅助的重要设备越来越受到患者青睐。但现有的外骨骼机器人人机协同效果欠佳，主要是由于人体运动信息预测方式多采用物理传感器的方式进行，物理传感器只有在穿戴者身体有一定的运动幅度情况下，才能够采集到人体运动信息，导致存在较大的时间延迟，无法实现快速预测的要求；同时，单一传感器对某一离散动作的预测具有一定的准确性，而连续运动量估计却存在着较大的不足。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于多传感器融合的下肢运动位姿快速预测系统及方法，能够对人体下肢运动位姿进行快速预测，同时提高了连续运动量的估计精度。

本发明的技术解决方案是：

基于多传感器融合的下肢运动位姿快速预测系统，包括表面肌电传感器、惯性传感器、位姿响应模块、位姿解算模块和外部辅助装置；

外部辅助装置穿戴在穿戴者腰部和下肢上，能够随人体左、右下肢运动；

表面肌电传感器粘贴在穿戴者下肢股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股二头肌、半腱肌、胫骨前肌、腓肠肌和比目鱼肌表面，用于实时获取穿戴者下肢各肌肉表面肌电信号，传输给位姿响应模块；

惯性传感器固定在外部辅助装置上，用于实时获取穿戴者下肢髋关节运动角度、膝关节运动角度和踝关节运动角度；

位姿响应模块固定于外部辅助装置上，对穿戴者下肢表面肌电信号进行滤波处理，然后将采集的各肌肉表面肌电信号时序与人体下肢肌肉活动时序数据库中预先储存的人体下肢肌肉活动时序进行匹配，找到当前下肢各肌肉表面肌电信号对应的运动状态；

位姿解算模块固定于外部辅助装置上，对表面肌电传感器采集的信号进行解算，估计出穿戴者下肢髋关节运动角度、膝关节运动角度、踝关节运动角度，将惯性传感器采集的髋关节运动角度、膝关节运动角度、踝关节运动角度与解算估计出的穿戴者下肢髋关节运动角度、膝关节运动角度、踝关节运动角度进行短时动态加权数据融合，实时获得穿戴者下肢运动姿态，通过外部辅助装置尺寸，解算出髋、膝、踝关节的位置坐标。

外部辅助装置包括腰围板、大腿外侧板、大腿固定绑带、小腿外侧板、小腿固定绑带、脚踏板和脚踏板绑带，腰围板穿戴在穿戴者腰部，大腿外侧板通过大腿固定绑带穿戴在穿戴者大腿外侧，小腿外侧板通过小腿固定绑带穿戴在穿戴者小腿外侧，脚踏板通过脚踏板绑带穿戴在穿戴者脚下；腰围板与大腿外侧板之间、大腿外侧板与小腿外侧板之间、小腿外侧板与脚踏板之间均采用万向节连接。

惯性传感器包括腰部惯性传感器、大腿部惯性传感器、小腿部惯性传感器和脚部惯性传感器；

腰部惯性传感器固定在腰围板前端外侧，大腿部惯性传感器固定在大腿外侧板外表面上，小腿部惯性传感器固定在小腿外侧板外表面上，脚部惯性传感器固定在脚踏板外表面上。

人体下肢肌肉活动时序数据库获取方式为：