一種力量增強(qiáng)型動力外骨骼行走步態(tài)感知方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及力量增強(qiáng)型動力外骨骼行走步態(tài)感知方法及傳感測量裝置。具體步驟為：采用腳底壓力傳感器和膝關(guān)節(jié)編碼器以及陀螺儀進(jìn)行人觸地信息、關(guān)節(jié)角度變化以及大小腿角速度信息測量，依據(jù)人機(jī)攜行規(guī)律提出了雙腿站立，左腿支撐、右腿擺動，雙腿支撐、右腿在前，右腿支撐、左腿擺動，雙腿支撐，左腿在前等行走5個步態(tài)子相劃分方法，并采用機(jī)器學(xué)習(xí)C4.5算法對5種步態(tài)子相中測量信息進(jìn)行分類決策，給出一種數(shù)據(jù)融合行走步態(tài)子相識別方法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：利用安裝在外骨骼上有限測量信息實(shí)現(xiàn)行走步態(tài)分類決策，提出的人機(jī)攜行步態(tài)識別方法能夠提高外骨骼跟隨試穿員肢體動作的實(shí)時性，能夠提前讓液壓控制系統(tǒng)收縮,提高人機(jī)攜行速度。
【專利說明】一種力量增強(qiáng)型動力外骨骼行走步態(tài)感知方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種力量增強(qiáng)型動力外骨骼的行走步態(tài)感知方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前力量增強(qiáng)型動力外骨骼研究遇到的一個瓶頸問題是:外骨骼難以實(shí)現(xiàn)人復(fù)雜步態(tài)運(yùn)動規(guī)律的位姿跟隨，導(dǎo)致人受到外骨骼運(yùn)動約束效果明顯，削弱了外骨骼助力效果，人機(jī)耦合運(yùn)動的舒適性差。其主要原因是外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)制與人的肌肉鏈?zhǔn)湛s力傳導(dǎo)機(jī)制存在本質(zhì)上的區(qū)別，并且外骨骼傳感鞋設(shè)計(jì)簡易，無法比擬人足對人動作行為的準(zhǔn)確識別。尤其是在重載攜行條件下，人不能通過自身能力調(diào)整系統(tǒng)重心平衡，外骨骼識別當(dāng)前人動作行為的準(zhǔn)確性低，導(dǎo)致人肢體與機(jī)械結(jié)構(gòu)直接之間存在無法克服的阻礙，夕卜骨骼控制系統(tǒng)的助力反而成為了人正常運(yùn)動的阻力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服目前外骨骼傳統(tǒng)步態(tài)感知方法的不足，提高外骨骼跟隨人行走動作的實(shí)時性，改善外骨骼在進(jìn)行助力補(bǔ)償?shù)耐瑫r人與外骨骼位姿的協(xié)調(diào)性。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明的目的之一是提供一套用于下肢外骨骼行走步態(tài)感知的傳感裝置。其具體布局方式如下:
[0006]一種力量增強(qiáng)型動力外骨骼傳感測量裝置，外骨骼傳感靴底設(shè)置壓力傳感器，所述壓力傳感器用于測量行.走過程中人腳觸地信息；膝關(guān)節(jié)設(shè)置絕對式光電編碼器，所述絕對式光電編碼器用于測量行走時膝關(guān)節(jié)彎曲角度；大腿和小腿處設(shè)置角速度陀螺儀，所述角速度陀螺儀用于測量膝關(guān)節(jié)彎曲角速度；所述人腳觸地信息、所述膝關(guān)節(jié)彎曲角度和所述膝關(guān)節(jié)彎曲角速度作為行走步態(tài)識別的信息輸入。
[0007]在上述技術(shù)方案的技術(shù)上，優(yōu)選的技術(shù)方案是，在外骨骼傳感鞋的前掌與后跟各安裝一只壓力傳感器，采集人行走過程中足前掌與后跟壓力變化值。膝關(guān)節(jié)安裝一只絕對式編碼器，測量人體膝關(guān)節(jié)彎曲角度。當(dāng)外骨骼處于直立狀態(tài)時，角度設(shè)定為零度。人下肢與外骨骼通過大腿綁帶連接，當(dāng)人小腿向后彎曲時，編碼器輸出角度正向增大。大腿和小腿質(zhì)心處各安裝一只單軸陀螺儀，兩者輸出值的代數(shù)和表征人機(jī)攜行過程中膝關(guān)節(jié)角速度變化。
[0008]本發(fā)明的目的之二是提出一種重載人機(jī)攜行步態(tài)相位劃分方法，將劃分后的步態(tài)子相與行走模式關(guān)聯(lián)起來，切換控制指令實(shí)現(xiàn)人機(jī)位姿協(xié)同運(yùn)動與負(fù)載補(bǔ)償，具體的方案是:如圖7所示，一種力量增強(qiáng)型動力外骨骼行走步態(tài)感知方法，將人機(jī)重載攜行過程中站立和行走兩種動作模式結(jié)合起來，劃分步態(tài)相位，將劃分的步態(tài)相位與行走模式關(guān)聯(lián)起來，切換驅(qū)動動力系統(tǒng)以增強(qiáng)人的行走步態(tài)力量，所述步態(tài)相位劃分為5個子相，如圖2和圖3所示，分別為:第一相位:雙腿站立，第二相位:右腿擺動，左腿支撐；第三相位:雙腿支撐，右腿在前，左腿在后；第四相位:右腿支撐，左腿擺動；第五相位:雙腿支撐，左腿在前，右腿在后;
[0009]采用決策分類算法將所述第一相位至第五相位的步態(tài)相位與行走模式關(guān)聯(lián)起來使外骨骼進(jìn)行行走步態(tài)的機(jī)器學(xué)習(xí)，所述第一相位至第五相位的步態(tài)相位與控制系統(tǒng)的控制指令切換相關(guān)聯(lián)以提聞攜行速度。
[0010]開始行走時，依次完成第一相位到第五相位；如果行走動作不停止，則完成第五相位后直接切換到第二相位，依次完成第二相位到第五相位；如果行走動作暫停，則由第五相位切換到第一相位。
[0011]如圖4圖5所示，本發(fā)明的目的之三是提出采用機(jī)器學(xué)習(xí)決策分類C4.5算法可以對人機(jī)攜行5個步態(tài)子相進(jìn)行步態(tài)識別與優(yōu)化。根據(jù)當(dāng)前足底壓力與膝關(guān)節(jié)角度與對應(yīng)的閾值進(jìn)行比較，對步態(tài)識別方法進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)。之后任意隨機(jī)選擇多個子相樣本中的一定數(shù)量的樣本進(jìn)行C4.5算法的分類交叉，得到行走模式的步態(tài)識別算法對應(yīng)的的決策樹。根據(jù)此決策樹，可以在人機(jī)攜行過程中識別人當(dāng)前的步態(tài)運(yùn)動子相，并實(shí)時將識別的步態(tài)子相輸入給液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行隨動控制。
[0012]所述決策樹判別方法包括:在重載攜行時，在輸入給液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時，將第三相位和第四相位合并，如果當(dāng)前步態(tài)識別方法識別出的步態(tài)子相進(jìn)入第三相位或第四相位，則控制系統(tǒng)立即讓外骨骼左腿液壓缸收縮；將第五相位和第二相位合并，如果識別出的步態(tài)子相進(jìn)入第五相位或第二相位，則立即讓外骨骼右腿液壓缸收縮，從而提高重載攜行過程中外骨骼跟隨人行走步態(tài)的實(shí)時性。
[0013]所述第一相位至第五相位的步態(tài)相位與控制系統(tǒng)的控制指令切換相關(guān)聯(lián)具體還包括:在異常時，如果外骨骼傳感靴前掌與后跟壓力傳感器其中I只出現(xiàn)異常值，步態(tài)識別排除異常的壓力傳感器測量信息，采用C4.5算法對傳感信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并給出人機(jī)攜行步態(tài)識別決策樹判別方法；如果膝關(guān)節(jié)編碼器中至少一只出現(xiàn)異常值，則C4.5算法無效，將只用腳底壓力傳感器來進(jìn)行單腿支撐相位和擺動相位的判斷，同時液壓控制采用Bang-Bang控制模式；如果陀螺儀其中I只出現(xiàn)異常值，則C4.5算法將去除陀螺儀測量信息，只對腳底壓力傳感 器和膝關(guān)節(jié)編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并得到對應(yīng)的步態(tài)識別決策樹判別方法。
[0014]具體來說，所述的4個腳底壓力傳感器，如果前掌與后跟其中I只壓力傳感器出現(xiàn)異常值，而其他傳感器工作正常，步態(tài)識別方法中去除其測量信息，C4.5算法實(shí)現(xiàn)過程仍可以實(shí)現(xiàn)；如果膝關(guān)節(jié)編碼器其中I只以上出現(xiàn)異常值，其他傳感器工作正常，則C4.5算法無效，將只用腳底4個壓力傳感器來進(jìn)行單腿支撐和擺動2個子相的判斷，同時液壓控制采用Bang-Bang控制模式；如果陀螺儀其中I只以上出現(xiàn)異常值，其他傳感器工作正常，則C4.5算法將去除4個陀螺儀測量信息，只對腳底壓力傳感器和膝關(guān)節(jié)編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并得到對應(yīng)的步態(tài)識別決策樹判別方法。
[0015]一種本發(fā)明將區(qū)別于以往簡單的腳底壓力接觸式步態(tài)識別方法，采用機(jī)器學(xué)習(xí)C4.5決策算法對外骨骼相關(guān)測量信息進(jìn)行步態(tài)相位合理劃分，給出人機(jī)重載攜行時行走動作識別方法。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
[0017]利用安裝在外骨骼上有限測量信息實(shí)現(xiàn)行走步態(tài)分類決策，提出的人機(jī)攜行步態(tài)識別方法能夠提高外骨骼跟隨試穿員肢體動作的實(shí)時性，能夠提前讓液壓控制系統(tǒng)收縮，提高人機(jī)攜行速度。本發(fā)明區(qū)別于以往簡單的腳底壓力接觸式步態(tài)識別方法，采用機(jī)器學(xué)習(xí)C4.5決策算法對外骨骼相關(guān)測量信息進(jìn)行步態(tài)相位合理劃分，給出人機(jī)重載攜行時行走動作識別方法及裝置。提高了響應(yīng)的實(shí)質(zhì)性，更容易實(shí)現(xiàn)動力外骨骼的跟隨性，以更好的為人的行走助力。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0018]圖1為本發(fā)明的下肢外骨骼行走步態(tài)感知的傳感器布局示意圖。
[0019]圖2和圖3為本發(fā)明的人機(jī)攜行5個步態(tài)相位劃分示意圖。
[0020]圖4和圖5為本發(fā)明通過C4.5分類算法優(yōu)化得到的人機(jī)攜行步態(tài)識別決策樹。
[0021]圖6為本發(fā)明所述的外骨骼感知任務(wù)異常處理示意圖。
[0022]圖7為本發(fā)明一種力量增強(qiáng)型動力外骨骼行走步態(tài)感知方法的系統(tǒng)框圖。
[0023]圖中的標(biāo)記分別為:1、傳感鞋后跟壓力傳感器，2、傳感鞋前掌壓力傳感器，3、膝關(guān)節(jié)編碼器，4、小腿角速度陀螺儀，5、大腿角速度陀螺儀。以上傳感器在左右腳的不同部位成對稱布局。5個步態(tài)相位的標(biāo)記分別為:①、第一相位:雙腿站立、第二相位:右腿擺動，左腿支撐、第三相位:雙腿支撐，右腿在前，左腿在后；(!)、第四相位:右腿支撐，左腿擺動、第五相位:雙腿支撐，左腿在前，右腿在后。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合試驗(yàn)例及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本
【發(fā)明內(nèi)容】
所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。
[0025]以下提供本發(fā)明一種力量增強(qiáng)型動力外骨骼的行走步態(tài)感知方法及裝置的具體實(shí)時方式。
[0026]如圖1所示，下肢外骨骼行走步態(tài)感知的傳感裝置具體布局方式如下:后跟壓力傳感器安裝在傳感鞋后跟中部，前掌壓力傳感器安裝在傳感鞋前掌靠近大腳趾位置，兩個壓力傳感器固體在傳感鞋的中間夾層，壓力傳感器輸出電壓范圍O—5V。膝關(guān)節(jié)編碼器安裝在連接大腿和小腿軸承上，測量系統(tǒng)行走過程中膝關(guān)節(jié)彎曲角度，編碼器輸出角度范圍O—360°，設(shè)定小腿向后彎曲時，關(guān)節(jié)角度正向增大。角速度陀螺儀分別安裝在大腿和小腿質(zhì)心處，測量大腿和小腿相對于大地的角速度，兩者代數(shù)和為膝關(guān)節(jié)角速度。
[0027]C4.5決策樹算法需要使用傳感鞋與地面的接觸壓力fl、fr，左右膝關(guān)節(jié)角速度(kl、(kr，表示為:
【權(quán)利要求】
1.一種力量增強(qiáng)型動力外骨骼行走步態(tài)感知方法，將人機(jī)重載攜行過程中站立和行走兩種動作模式結(jié)合起來，劃分步態(tài)相位，將劃分的步態(tài)相位與行走模式關(guān)聯(lián)起來，切換控制指令實(shí)現(xiàn)人機(jī)位姿協(xié)同運(yùn)動與負(fù)載補(bǔ)償，其特征在于，所述步態(tài)相位劃分為5個子相，分別為:第一相位:雙腿站立，第二相位:右腿擺動，左腿支撐；第三相位:雙腿支撐，右腿在前，左腿在后；第四相位:右腿支撐，左腿擺動；第五相位:雙腿支撐，左腿在前，右腿在后； 采用決策分類算法將所述第一相位至第五相位的步態(tài)相位與行走模式關(guān)聯(lián)起來使外骨骼進(jìn)行行走步態(tài)的機(jī)器學(xué)習(xí)，所述第一相位至第五相位的步態(tài)相位與控制系統(tǒng)的控制指令切換相關(guān)聯(lián)以提聞攜行速度。
2.如權(quán)利要求1所述的力量增強(qiáng)型動力外骨骼行走步態(tài)感知方法，其特征在于，所述第一相位至第五相位的步態(tài)相位與控制系統(tǒng)的控制指令切換相關(guān)聯(lián)具體包括: 開始行走時，依次完成第一相位到第五相位； 如果行走動作不停止，則完成第五相位后直接切換到第二相位，依次完成第二相位到第五相位； 如果行走動作暫停，則由第五相位切換到第一相位。
3.如權(quán)利要求1所述的力量增強(qiáng)型動力外骨骼行走步態(tài)感知方法，其特征在于，所述采用決策分類算法將所述第一相位至第五相位的步態(tài)相位與行走模式關(guān)聯(lián)起來使外骨骼進(jìn)行行走步態(tài)的機(jī)器學(xué)習(xí)具體采用決策分類C4.5算法使外骨骼進(jìn)行行走步態(tài)的機(jī)器學(xué)習(xí)，C4.5算法對傳感信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并給出人機(jī)攜行步態(tài)識別決策樹判別方法。
4.如權(quán)利要求1所述的力量增強(qiáng)型動力外骨骼行走步態(tài)感知方法，其特征在于，所述第一相位至第五相位的步態(tài)相位與控制系統(tǒng)的控制指令切換相關(guān)聯(lián)還包括:在重載攜行時，在輸入給液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時，將第三相位和第四相位合并，如果當(dāng)前步態(tài)識別方法識別出的步態(tài)子相進(jìn)入第三相位或第四相位，則控制系統(tǒng)立即讓外骨骼左腿液壓缸收縮；將第五相位和第二相位.合并，如果識別出的步態(tài)子相進(jìn)入第五相位或第二相位，則立即讓外骨骼右腿液壓缸收縮，從而提高重載攜行過程中外骨骼跟隨人行走步態(tài)的實(shí)時性。
5.如權(quán)利要求3所述的力量增強(qiáng)型動力外骨骼行走步態(tài)感知方法，其特征在于，所述決策樹判別方法包括:在重載攜行時，在輸入給液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時，將第三相位和第四相位合并，如果當(dāng)前步態(tài)識別方法識別出的步態(tài)子相進(jìn)入第三相位或第四相位，則控制系統(tǒng)立即讓外骨骼左腿液壓缸收縮；將第五相位和第二相位合并，如果識別出的步態(tài)子相進(jìn)入第五相位或第二相位，則立即讓外骨骼右腿液壓缸收縮，從而提高重載攜行過程中外骨骼跟隨人行走步態(tài)的實(shí)時性。
6.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的力量增強(qiáng)型動力外骨骼行走步態(tài)感知方法，其特征在于，所述第一相位至第五相位的步態(tài)相位與控制系統(tǒng)的控制指令切換相關(guān)聯(lián)具體包括:在異常時，如果外骨骼傳感靴前掌與后跟壓力傳感器其中I只出現(xiàn)異常值，步態(tài)識別排除異常的壓力傳感器測量信息，采用C4.5算法對傳感信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并給出人機(jī)攜行步態(tài)識別決策樹判別方法； 如果膝關(guān)節(jié)編碼器中至少一只出現(xiàn)異常值，則C4.5算法無效，將只用腳底壓力傳感器來進(jìn)行單腿支撐相位和擺動相位的判斷，同時液壓控制采用Bang-Bang控制模式； 如果陀螺儀其中I只出現(xiàn)異常值，則C4.5算法將去除陀螺儀測量信息，只對腳底壓力傳感器和膝關(guān)節(jié)編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并得到對應(yīng)的步態(tài)識別決策樹判別方法。
7.一種力量增強(qiáng)型動力外骨骼傳感測量裝置，其特征在于，外骨骼傳感靴底設(shè)置壓力傳感器，所述壓力傳感器用于測量行走過程中人腳觸地信息； 膝關(guān)節(jié)設(shè)置絕對式光電編碼器，所述絕對式光電編碼器用于測量行走時膝關(guān)節(jié)彎曲角度； 大腿和小腿處設(shè)置角速度陀螺儀，所述角速度陀螺儀用于測量膝關(guān)節(jié)彎曲角速度；所述人腳觸地信息、所述膝關(guān)節(jié)彎曲角度和所述膝關(guān)節(jié)彎曲角速度作為行走步態(tài)識別的信息輸入。
8.如權(quán)利要求7所述的力量增強(qiáng)型動力外骨骼傳感測量裝置，其特征在于，外骨骼傳感靴底的前掌和后跟各設(shè)置一只壓力傳感器以測量行走過程中人腳觸地信息； 膝關(guān)節(jié)設(shè)置一只絕對式光電編碼器以測量行走時膝關(guān)節(jié)彎曲角度； 大腿和小腿質(zhì)心位置處各設(shè) 置一只角速度陀螺儀以測量膝關(guān)節(jié)彎曲角速度。
【文檔編號】A61F2/64GK103431929SQ201310384919
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】郭慶, 張向剛, 周宏 , 朱家元 申請人:電子科技大學(xué)