[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

说明书

本发明公开了一种多单元协同无源助力外骨骼的构建方法、系统及介质，该方法包括：生成人体模型，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。本发明通过为人体设置随机构造区域和数学描述，以人体步态机械功最小为目标函数，对无源助力外骨骼作用于人体的位置参数和动力学参数进行寻优，得出用于辅助下肢行走、跑步、上楼梯和下楼梯等步态并减少人体消耗的无源助力外骨骼。

技术领域

本发明属于可穿戴机器人的技术领域，具体涉及一种多单元协同无源助力外骨骼的构建方法、系统及介质。

背景技术

人类希望自己有足够的力量去执行任意的行动，但往往受到人体机能的限制。人体外骨骼技术，可以增强人体行动能力、减轻负重、辅助运动，其本质是一种可穿戴式的辅助机械或机电系统。人类通过这项技术的发展，可以做到之前无法完成的任务，解放了人的更多自由。

人体在运动时，步态周期内施加动力和施加阻力均需要消耗能量。无源助力外骨骼由于其缺乏能量，因此其原理主要是通过转移人体在步态周期内的机械能从而达到对应的辅助效果。某些无源助力外骨骼的原理类似汽车刹车时的能量回收，而在汽车需要动力的时候释放。其主要的作用原件即弹性材料。

常规的无源助力外骨骼构建策略往往是根据期望的辅助区域(如髋关节辅助或者踝关节辅助)构造模型，然后优化无源助力外骨骼弹性元件刚度等参数问题。本申请希望通过人机模型，将无源助力外骨骼的辅助区域也作为优化考虑的对象。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种多单元协同无源助力外骨骼的构建方法、系统及介质，通过为人体设置随机构造区域和数学描述，以人体步态机械功最小为目标函数，对无源助力外骨骼作用于人体的位置参数和动力学参数进行寻优，得出用于辅助下肢行走、跑步、上楼梯和下楼梯等步态并减少人体消耗的无源助力外骨骼。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一个方面，提供了一种多单元协同无源助力外骨骼的构建方法，包括下述步骤：

S1、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；

S2、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；

S3、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；

S4、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。

作为优选的技术方案，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。

作为优选的技术方案，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：

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。