[发明专利]一种髋关节外骨骼装置控制系统的控制方法

权利要求书

1.一种髋关节外骨骼装置控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据腿部计算模块(21)记录使用者的身高、体重、性别，计算出使用者的大腿质量、小腿质量、大腿质心距离髋关节中心的长度以及大腿长度；

S2、根据角度处理模块(62)接收处理从传感器(8)发送来的左、右髋关节角度，经低通滤波后计算使用者左右髋关节的角速度和差分角速度；

S3、运动意图识别模块(63)根据左右髋关节的角速度和差分角速度识别使用者的运动状态，同时，根据使用者的运动状态设定第一预设值、第二预设值和第三预设值；

S4、辅助力运算模块(64)根据运动意图识别模块(63)识别的运动状态，驱动源(5)的输出轴与腿部固定绑带(9)连结，控制驱动源(5)启动带动副框架(4)以驱动源(5)所在的人体髋关节部为旋转中心进行摆动，使穿戴在左右大腿部的腿部固定绑带(9)对大腿部施加辅助力，带动腿部运动；

所述步骤S2中，角度处理模块(62)首先进行从由左右的髋关节角度传感器(8)采集到的角度信号中滤掉高频成分留下低频成分，处理运算公式如下：

θ_n＝αq_n+(1-α)θ_n-1        (1)

其中，α为滤波系数，q_n为表示当前传感器采集到的髋关节角度值，θ_n-1为上一个滤波后的角度，θ_n为本次处理后的角度值；

在执行了低通滤波处理后，执行差分角的计算，其运算公式如下：

θ＝θ_L-θ_R                 (2)

其中，θ_L为左腿髋关节的角度，θ_R为右腿髋关节的角度，θ为差分角；差分角θ是左腿相对于右腿的弯曲角度，左腿和右腿相比位于弯曲侧时为正值，即相对于身体前方的下肢，左腿与右腿相比于伸展侧时为负值，即相对于身体后方的下肢；

角度处理模块(62)基于从低通滤波器通过的髋关节角度θ_L、θ_R计算对应的角速度、对应的差分角速度ω，其运算公式如下：

ω_R＝(θ_R-N-θ_R-N-1)Tc     (3)

ω_L＝(θ_L-N-θ_L-N-1)Tc     (4)

ω＝(θ_N-θ_N-1)Tc        (5)

其中，θ_R-N为本次右腿的髋关节角度值；θ_R-N-1为前次右腿髋关节角度值；θ_L-N为本次左腿的髋关节角度值；θ_L-N-1为前次右腿髋关节角度值；θ_N为本次处理中算出的差分角；θ_N-1为前次处理中算出的差分角；ω_L为左腿髋关节角速度值；ω_R为右腿髋关节角速度值；ω为差分角速度，Tc为处理周期；

所述步骤S3中，运动意图识别模块(63)在角度处理模块(62)执行完毕后，基于已得到的各种角速度，与提前设置好的第一、第二和第三预设值做比较，则能判断出使用者的运动趋势，具体执行如下公式：

ω0ω_startω_Lω_end,left assist       (6)

-ω0ω_startω_Rω_end,right assist     (7)

其中，0为差分角速度启停的第一预设值；ω_start为判断单侧腿部起始助力的角速度的第二预设值；ω_end为判断单侧腿部停止助力的角速度的第三预设值；

所述步骤S4中，辅助力运算模块(64)根据所述使用者当前所处的运动状态，根据动力学模型，结合当前的运动数据及自身情况来运算出助力时需要发挥的辅助力τ，且需要考虑到左右腿不同情况下发挥的辅助力亦是不同的，具体而言，辅助力运算模块(64)通过执行如下公式运算出辅助力矩：

τ_Ri＝(m₁d₁+m₂l₁)gsin(θ_Ri-θ_Rb)        (8)

τ_Li＝(m₁d₁+m₂l₁)gsin(θ_Li-θ_Lb)        (9)

其中，m₁、m₂分别为所述使用者的大腿质量和小腿质量，d₁为使用者大腿质心距离髋关节中心的长度，l₁为使用者大腿长度，τ_Li为左大腿提供的辅助力，τ_Ri为右大腿提供的辅助力，θ_Li为使用者左腿摆动的角度，θ_Ri为使用者右腿摆动的角度，θ_Lb为当前周期中，使用者左腿满足助力条件时第一个摆动的角度，θ_Rb为当前周期中，使用者右腿满足助力条件时第一个摆动的角度，g为重力加速度，通常为g＝9.8m/s²。

2.根据权利要求1所述的一种髋关节外骨骼装置控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中确定使用者的运动状态的步骤包括：

当所述差分角速度大于第一预设值，且左侧角速度值大于第二预设值时，则判定所述使用者的左侧大腿的运动状态从停止状态或者迈步支撑状态切换到迈步摆动状态；

当所述运动状态进入到迈步摆动状态后，左侧角速度值小于第三预设值，且差分角速度大于第一预设值时，则判定所示使用者的左侧大腿的运动状态从迈步状态切换到停止状态或者迈步支撑状态；

或；

当所述差分角速度大于第一预设值，且右侧角速度值大于第一预设值时，则判定所述使用者的右侧大腿的运动状态从停止状态或者迈步支撑状态切换到迈步摆动状态；

当所述运动状态进入到迈步摆动状态后，右侧角速度值小于第三预设值，且差分角速度大于第一预设值时，则判定所示使用者的右侧大腿的运动状态从迈步状态切换到停止状态或者迈步支撑状态。