[发明专利]一种多单元协同无源助力外骨骼的构建方法、系统及介质

权利要求书

1.一种多单元协同无源助力外骨骼的构建方法，其特征在于，包括下述步骤：

生成人体模型，并基于人体模型构造无源助力外骨骼辅助区域；

确定无源助力外骨骼的结构和动力学的变量并设置取值范围；

以步态周期下人体机械功和约束惩罚之和为目标函数对变量进行优化算法寻优；

将结果中目标函数最优的无源助力外骨骼参数作为无源助力外骨骼的构建结果。

2.根据权利要求1所述一种多单元协同无源助力外骨骼的构建方法，其特征在于，所述人体模型为二维模型，且每个人体单元被编号；所述无源助力外骨骼辅助区域为双矩形区域，其无源助力外骨骼辅助的某位置由区域位置数χ、构造数ε_z这两个变量确定，其中，区域位置数χ通过下式解算为单元编号i和构造数ε_x：

ε_x＝χ-i+1。

3.根据权利要求2所述一种多单元协同无源助力外骨骼的构建方法，其特征在于，利用单元编号i、构造数ε_x、ε_z确定无源助力外骨骼辅助的某个位置，如下式：

z_inst＝z_min+ε_z(z_max-z_min)；

其中，x_inst和z_inst为无源助力外骨骼辅助位置在单元编号i对应的人体单元下的相对坐标；式中的除相对坐标x_inst和z_inst，以及构造数ε_x、ε_z之外的变量为单元可行辅助区域参数。

4.根据权利要求1所述一种多单元协同无源助力外骨骼的构建方法，其特征在于，所述基于人体模型构造无源助力外骨骼辅助区域的过程中，采用对称构造，即通过对称性根据已有的辅助位置变量构造对称的无源助力外骨骼，具体如下式：

i_u′＝φ(i_u)；

其中，i_u′为某侧人体单元编号，i_u为对称侧人体单元编号，φ(·)为对称编号映射，ε_u，ori为某侧构造数，ε_u′，ori为对称侧构造数，T为垂直于人体矢状面的坐标轴方向集合。

5.根据权利要求1所述一种多单元协同无源助力外骨骼的构建方法，其特征在于，

所述无源助力外骨骼的结构变量为两组辅助位置，用于描述无源助力外骨骼挂载的两端，即区域位置数χ1，构造数ε_z1，区域位置数χ2和构造数ε_z2；所述动力学的变量为弹性元件反应阈值L₀和弹性元件刚度k_bot，基于动力学变量，无源助力外骨骼对人体影响的动力学方程为：

n_bot，1＝n_bot，2＝0；

其中，f_bot，1为辅助点t1的力，f_bot，2为辅助点t2的力，t1和t2为描述无源助力外骨骼挂载的两端，即两组辅助位置的点；n_bot，1为辅助点t1的力矩，n_bot，2为辅助点t2的力矩，p₁和p₂分别为无源助力外骨骼两端挂载在两处人体部位的地面坐标系坐标。

6.根据权利要求1所述一种多单元协同无源助力外骨骼的构建方法，其特征在于，所述人体机械功的计算具体如下式：

其中，w为人体机械功，M_j为第j个关节的力矩，ω_j为第j个关节的角速度，k为人体关节总数，t₀和t₁分别为一个步态周期的起始和终止时间。