CN110587613B - 一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法 - Google Patents

一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，所述外骨骼由控制器、微型气泵、两位三通负压气阀、两位三通正压气阀、IMU模块、气压传感器、负压旋转弹性体驱动器等组成；实时反馈与闭环控制方法包括：首先控制器对IMU模块采集人体下肢角度参数进行分析，对行走步态进行识别，然后建立负压弹性体驱动器在一个步态周期不同时刻提供的力矩输入方程，而后计算负压弹性体驱动器角度、气压与力矩三者之间的对应关系，最后构建气压‑转速‑气阀指令模型，微型气泵、两位三通负压气阀以及两位三通正压气阀按照模型指令，执行相应动作，通过负压弹性体驱动器为用户提供与步态周期和膝关节力矩需求匹配的辅助力矩。

Description

一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法
技术领域
本发明属于柔性外骨骼机器人、下肢外骨骼以及负压弹性体驱动器技术领域，特别涉及一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法。
背景技术
机器人外骨骼是一种并联穿戴于人体外部的装置，控制系统通过传感系统实时检测肢体运动状态，并通过驱动系统实现关节助力，达到增强肢体力量或辅助人体运动的目标。外骨骼机器人与工业机器人、移动机器人最大的不同在于它需要与人体密切接触，形成所谓“人在环中”的人-机混合系统，显著增加了其在设计、感知和控制研究方面的难度。总体来说，当前无论国际和国内的穿戴式下肢外骨骼仍主要集中在外骨骼的机械结构设计方面，而在对人肢体运动意图的理解与识别方面，一些文献研究探讨了运动意图检测问题但解决并不充分，而在下肢外骨骼控制方面的已有研究结果则更为有限，这就导致了下肢外骨骼无法在复杂环境中按照人的运动意图和节律协调运动，导致穿戴者代谢消耗巨大，与增强穿戴者运动能力的目标相去甚远。人-机混合系统中外骨骼如何识别用户步态，理解并顺应人的运动意图，安全柔顺的完成既定任务，是外骨骼研究中的一个核心的问题和挑战。外骨骼必须充分感知、理解并尽可能顺应用户意图、根据人行走步态的变化实时调整助力输出，实现助力、助行的目的。
发明内容
本发明是针对现有技术的缺陷，提供了一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，所述负压气动柔性膝关节外骨骼由控制器、微型气泵、两位三通负压气阀、两位三通正压气阀、惯性测量单元模块(IMU模块)、气压传感器、锂电池组、负压旋转弹性体驱动器、气管以及安装固定结构件等组成；所述实时反馈与闭环控制方法包括以下步骤：
步骤S1，进行人体行走步态判断，
步骤S2，建立负压弹性体驱动器在一个步态周期不同时刻提供的力矩输入方程，
步骤S3，计算负压弹性体驱动器角度、气压与力矩三者之间的对应关系，
步骤S4，构建气压-转速-气阀指令模型；
基于所述实时反馈与闭环控制方法，所述控制器首先对所述IMU模块采集人体下肢角度参数进行计算和分析，对人体当前的行走步态进行识别；然后对所述气压传感器实时采集的负压旋转弹性体驱动器的压力信息进行接收和处理，对用户步态周期中膝关节对力矩需求以及负压弹性体驱动器自身所能提供的与步态周期匹配的伸展和弯曲力矩水平进行评估，建立负压弹性体驱动器在一个步态周期中不同时刻提供的力矩输入方程，并计算负压弹性体驱动器在不同角度下气压和力矩三者之间的对应关系；最后构建气压-转速-气阀指令计算模型，实时计算满足模型所需要的气泵转速和气阀开关量，微型气泵、两位三通负压气阀以及两位三通正压气阀按照控制器指令，执行相应动作，通过负压弹性体驱动器为用户提供与步态周期和膝关节力矩需求匹配的辅助力矩。
所述步骤S1进行人体行走步态判断包括：
步骤S11，将IMU模块安装到所述膝关节外骨骼上；
步骤S12，对所述IMU模块进行校准，消除穿戴IMU模块位置不准确带来的影响；
步骤S13，使用所述IMU模块采集人体下肢角度参数；
步骤S14，以所述人体下肢角度参数作为输入信号，采用基于规则的分类算法对人体当前的行走模式进行识别。
优选地，所述步骤S11包括在负压气动柔性膝关节外骨骼安装4个IMU模块，分别位于左、右大腿和小腿的外侧，并且所有IMU模块的Pitch角度平面都与人体矢状面平行。
优选地，所述步骤S12的校准过程包括：存储人体静止站立时各IMU模块采集到的Pitch角度，并使所有IMU模块采集到的Pitch角度值都减去站立时采集到的Pitch角度，从而将人体静止站立时各IMU模块的Pitch角度都标定为零；根据IMU模块在腿上的安装位置，每个IMU模块的Pitch角度反应的是大腿或者小腿的旋转角度，将右大腿IMU模块的Pitch角度与右小腿IMU模块的Pitch角度相减和将左小腿IMU模块的Pitch角度与左大腿IMU模块的Pitch角度相减即可计算出两条腿的膝关节角度，为了处理的方便统一都将其转化为负值。
优选地，所述步骤S13中的人体下肢角度参数包括：左腿膝关节角度θL和右腿膝关节角度θR；所述下肢运动时间参数包括：左腿膝关节伸展时间和弯曲时间分别为tLS和tLB，右腿膝关节伸展时间和弯曲时间分别为tRS和tRB。
所述步骤S14中的基于规则的分类算法包括采样规则，步态周期判断规则，以及步态分类判断规则；根据采样规则和步态周期判断规则，通过选取的采样点和多种特征与相应的条件和阈值组成步态分类判断规则来实现对人体当前的步态进行实时识别；所述的步态包括行走过程中左腿膝关节伸展阶段、左腿膝关节弯曲阶段、右腿膝关节伸展阶段和右腿膝关节弯曲阶段。
所述步骤S14中采样规则为：
规则1：在采集人体下肢角度参数过程中，对左腿膝关节和右腿膝关节角度参数进行连续采样，每20ms采样一次，其中左腿角度变化过程中任意三个连续采样点记为TN,TN+1,TN+2，(N≥1,N为整数)，即TN+1与TN间隔20ms，TN+2与TN+1间隔20ms,对应上述三个时刻的膝关节角度分别为θTN，θT(N+1)，θT(N+2)；右腿角度变化过程中任意三个连续采样点记为TM,TM+1,TM+2,(M≥1,M为整数),TM+1与TM间隔20ms，TM+2与TM+1间隔20ms,对应上述三个时刻的右腿膝关节角度分别为θTM，θT(M+1)，θT(M+2)。
所述步骤S14中的基于规则的分类算法中的步态周期判断规则为：
规则2：θL≤-20°，θR≤-20°，θTN＞θT(N+1)，θT(N+1)＜θT(N+2)，θTM＞θT(M+1)，θT(M+1)＜θT(M+2)；
首次满足规则2则认为TN+2点和TM+2点的时间间隔为一个步态周期T。
所述步骤S14步态分类判断规则包括：
规则3：θL≤-20°，θTN＜θT(N+1)＜θT(N+2)；
规则4：θL≤-20°，θR≤-20°，θL≤θR-10°，θTN＜θT(N+1)＜θT(N+2)；
规则5：θR≤-20°，θTM＜θT(M+1)＜θT(M+2)；
规则6：θL≤-20°，θR≤-20°，θL≤θR-10°，θTM＜θT(M+1)＜θT(M+2)；
规则7：tLS≥T/2，θL≥-30°，θTM＞θT(M+1)＞θT(M+2)；
规则8：tLS≥T/2，θL≥θR，θTM＞θT(M+1)＞θT(M+2)；
规则9：tLS≥T/3，θL≥-20°，θL≥θR，θTM＞θT(M+1)＞θT(M+2)；
规则10：tRS≥T/2，θTN＞θT(N+1)＞θT(N+2)，θR≥-30°；
规则11：tRS≥T/2，θTN＞θT(N+1)＞θT(N+2)，θR≥θL；
规则12：tRS≥T/3，θR≥-20°,θR≥θL,θTN＞θT(N+1)＞θT(N+2)；
其中，规则3-4为左腿膝关节处于伸展阶段的判断规则，规则3-4为并列关系，满足其一即可判断左腿膝关节处于伸展状态，并且首次满足条件θTN＜θT(N+1)＜θT(N+2)时，TN+2点位置为左腿膝关节伸展阶段膝关节角度的极值点；
规则5-6为右腿膝关节处于伸展阶段的判断规则，规则5-6为并列关系，满足其一即可判断右腿膝关节处于伸展阶段，并且首次满足条件θTM＜θT(M+1)＜θT(M+2)＜0时，TM+2点位置为右腿膝关节伸展阶段膝关节角度的极值点；
规则7-9为右腿膝关节处于弯曲阶段的判断规则，规则7-9为并列关系，满足其一即可判断右腿膝关节处于弯曲阶段，并且首次满足条件θTM＞θT(M+1)＞θT(M+2)时，TM+2点位置为右腿膝关节弯曲阶段膝关节角度的极值点；
规则10-12为左腿膝关节处于弯曲阶段的判断规则，规则10-12为并列关系，满足其一即可判断左腿膝关节处于弯曲阶段，并且首次满足条件θTN＞θT(N+1)＞θT(N+2)时，TN+2点位置为左腿膝关节弯曲阶段膝关节角度的极值点。
所述步骤S2，建立负压弹性体驱动器在一个步态周期中不同时刻提供的力矩输入方程包括：
方程1：y＝k1·x (0≤x＜10)，
方程2：y＝10k1 (10≤x＜40)，
方程3：y＝10k1-(x-10)k1 (40≤x＜50)，
方程4：y＝-(x-5)·k2 (50≤x＜60)，
方程5：y＝-10k2 (60≤x＜90)，
方程6：y＝-(10k2-(x-90)·k2) (90≤x≤100)；
优选地，力矩为正值表示提供弯曲力矩，力矩为负值表示提供伸展力矩；力矩输入方程中的K1、K2经过实验测试和体验测试后选取最优值为K1＝5，K2＝3。
所述步骤S3，计算负压弹性体驱动器角度、气压与力矩三者之间的对应关系包括：
弯曲力矩方程式7：F(α，M1)＝p00+α·p10+M1·p01+α2·p20+αM1·p11+M1 2·p02，
其中，F(α,M1)代表负压弹性体驱动器气压，α代表负压弹性体驱动器角度，M1代表负压弹性体驱动器输出的弯曲力矩，p00＝-29.26，p10＝1.145,p01＝0.6278,p20＝-0.02803,p11＝-0.1712,p02＝-0.02424；
伸展力矩方程式8：F(β，M2)＝q00+β·q10+M2·q01+β2·q20+βM2·q11+M2 2·q02，
其中，F(β,M2)代表负压弹性体驱动器气压，β代表负压弹性体驱动器角度，M2代表负压弹性体驱动器输出的伸展力矩，q00＝2.492，q10＝-0.8597,q01＝4.88,q20＝0.005572,q11＝0.05508,q02＝0.03078，表达式中的力矩数值均采用绝对值。
所述步骤S4，构建气压-转速-气阀指令计算模型包括：
依据气压传感器实时检测到的负压弹性体驱动器压力信息，采用闭环调节机制，当负压弹性体驱动器实际气压大于设定值，采用不依赖负压气动柔性膝关节外骨骼系统参数的比例-积分-微分控制器(PID控制器)实时计算并调节微型气泵转速，使得实际气压迅速达到给定气压；当负压弹性体驱动器实际气压小于设定值，实时计算气阀开关量，通过打开两位三通正压气阀充气，使负压弹性体驱动器的实际气压迅速达到设定值，从而实现负压弹性体驱动器输出所需力矩的需求。
本发明优异的效果是：
相比现有技术，本发明一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法,采用气动驱动方式，克服了一般腿部助力装备或者外骨骼机器人等刚性机构惯性大，容易造成人下肢关节机械惯性损伤，安全性差、舒适性差等缺点，显著提高了装备的安全性和舒适性。
相比现有技术，提供一种仅以运动传感器来采集输入信号，并且具有计算简单、存储量小、鲁棒性强、识别准确等优点的实时行走步态识别方法。
相比现有技术，本发明采用角度判断模式对步态进行判断，增加了预判机制，从而提高状态判断的准确性，可以有效解决了采用角速度对步态判断的延时问题，并解决了气动肌肉状态判断滞后问题。
相比现有技术，本发明能够充分识别用户步态，顺应用户意图，根据人行走步态的变化实时调整助力输出，实现助力、助行的目的。
附图说明
图1是本发明的负压气动柔性膝关节外骨骼外形示意图；
图2是负压气动柔性膝关节外骨骼总体控制方案图；
图3是本发明中负压气动柔性膝关节外骨骼中的IMU模块在腿上的安装位置示意图；
图4是步态实时识别算法中左腿膝关节和右腿膝关节角度变化曲线图；
图5是气压-转速-气阀指令计算模型框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
本发明提供了一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法。图1和图2分别为负压气动柔性膝关节外骨骼外形示意图和总体控制方案图。如图1和2所示，所述负压气动柔性膝关节外骨骼包括控制器、微型气泵、两位三通负压气阀、两位三通正压气阀、惯性测量单元模块(IMU模块)、气压传感器、负压旋转弹性体驱动器、锂电池组、气管以及安装固定结构件等组成。
所述控制器是所述负压气动柔性膝关节外骨骼数据接收、计算、处理和指令发送的主令单元；
所述负压旋转弹性体驱动器，是所述负压气动柔性膝关节外骨骼核心驱动部件，其通过柔性固定带安装在用户左右腿的大腿、小腿以及膝关节相应部位，其在负压作用下产生旋转运动，提供旋转弯曲的转矩，为膝关节提供弯曲的助力；在正压作用下产生伸展运动，提供伸展的转矩，为膝关节提供伸展的助力；
所述IMU模块能够对左、右腿的小腿和大腿相对地面的摆动角度参数进行实时获取，并反馈给所述控制器；
所述气压传感器实时采集所述负压旋转弹性体驱动器的压力信息，并实时反馈给所述控制器；
所述微型气泵为微型直流活塞式气泵，是所述可穿戴柔性下肢外骨骼的动力源，为所述可穿戴柔性助力系统提供正压或负压；
所述两位三通负压气阀、两位三通正压气阀为三通电磁阀，可实现微型气泵负压作用力或者正压作用力到安装在左右腿膝关节相应部位的负压旋转弹性体驱动器之间不同气流输送通道的切换，以及负压旋转弹性体驱动器的正压和负压转换；
所述锂电池组为负压气动柔性膝关节外骨骼供电；
所述气管采用PVC软管或者硅胶管，是所述负压气动柔性膝关节外骨骼气流输送通道；
所述安装固定结构件是控制器、微型气泵、两位三通负压气阀、两位三通正压气阀、惯性测量单元(IMU)、气压传感器、锂电池组以及气管的安装和携行的载体。
所述负压气动柔性膝关节外骨骼总体控制方案包括：
所述控制器利用实时反馈与闭环控制方法对惯性测量单元(IMU)采集人体下肢角度参数，对人体当前的行走步态进行识别；对气压传感器实时采集穿戴在左右腿膝关节相应部位的负压旋转弹性体驱动器的压力信息进行接收和处理，对用户步态周期中膝关节的力矩需求以及负压弹性体驱动器自身所能提供的能够与步态周期匹配的伸展和弯曲力矩水平进行评估，建立负压弹性体驱动器在一个步态周期中不同时刻提供的力矩输入方程，并计算负压弹性体驱动器在不同角度下气压和力矩三者之间的对应关系；构建气压-转速-气阀指令计算模型，实时计算满足模型所需要的气泵转速和气阀开关量，微型气泵、两位三通负压气阀以及两位三通正压气阀按照控制器指令，执行相应动作，通过负压弹性体驱动器为用户提供与步态周期和膝关节力矩需求匹配的辅助力矩。
所述实时反馈与闭环控制方法包括以下步骤：
步骤S1，进行人体行走步态判断；
步骤S2，建立负压弹性体驱动器在一个步态周期不同时刻提供的力矩输入方程；
步骤S3，计算负压弹性体驱动器角度、气压与力矩三者之间的对应关系；
步骤S4，构建气压-转速-气阀指令模型。
优选地，所述步骤S1行走步态判断过程包括：
步骤S11，将IMU模块安装到所述膝关节外骨骼上。
如图1和图3所示，总共有四个IMU模块来采集人体下肢的运动信息，其中每两个IMU模块作为一组安装在一条腿上，一个安装在大腿的外侧，而另一个安装在小腿的外侧，并且保证所有IMU模块的安装方位都为Pitch角度所在平面与人体矢状面平行。为了提高所述步态实时识别方法在膝关节外骨骼、膝关节助行装置以及其他类需要该功能的产品的通用性，四个IMU模块可以独立于膝关节外骨骼，通过柔性固定带直接安装在人的大腿和小腿外侧，具体的其中每两个IMU模块作为一组通过弹性固定带安装在一条腿上，一个安装在大腿的外侧，而另一个安装在小腿的外侧，并且保证所有IMU模块的安装方位都为Pitch角度所在平面与人体矢状面平行。所述的IMU模块由三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁场传感器组成，可以采集到Roll、Pitch和Yaw欧拉角原始数据。
步骤S12，对所述IMU模块进行校准，消除穿戴IMU模块位置不准确带来的影响。
所述校准是为了消除由于IMU模块安装位置不准确所带来的影响。由于识别方法中使用的输入信号为角度参数，当IMU模块的安装位置发生偏移时会影响到IMU模块的采集数值，进而影响到对行走模式的判断，降低识别准确率。因此需要进行校准来消除该影响，在校准时，人体需要静止站立几秒钟，存储下来此时各IMU模块采集到的角度。此后使各IMU模块的角度值都减去静止站立时的角度值。这样使得无论IMU模块在人腿上的安装方位如何，人体静止站立时各IMU模块的角度值都被标定为零。
根据IMU模块在腿上的安装位置，每个IMU模块的Pitch角度反应的是大腿或者小腿的旋转角度。将右大腿IMU模块的Pitch角度与右小腿IMU模块的Pitch角度相减和将左小腿IMU模块的Pitch角度与左大腿IMU模块的Pitch角度相减即可计算出两条腿的膝关节角度。
步骤S13，使用所述IMU模块采集人体下肢角度参数和下肢运动时间参数。
所述步骤S13中的人体下肢角度参数包括：左腿膝关节角度θL和右腿膝关节角度θR；所述下肢运动时间参数包括：左腿膝关节伸展时间和弯曲时间分别为tLS和tLB，右腿膝关节伸展时间和弯曲时间分别为tRS和tRB。
步骤S14，以所述人体下肢角度参数和下肢运动时间参数为输入信号，采用基于规则的分类算法对人体行走步态进行实时识别。
所述基于规则的分类算法包括采样规则、步态周期判断规则以及步态分类判断规则。根据采样规则和步态周期判断规则，通过选取的采样点和多种特征与相应的条件和阈值组成步态分类判断规则来实现对人体当前的步态进行实时识别，所述的步态包括行走过程中左腿伸展阶段、左腿弯曲阶段、右腿伸展阶段和右腿弯曲阶段以及上述四个阶段的极值点。
所述步骤S14步态分类判断规则中采样规则如下：
规则1：如图4所示，在采集人体下肢角度参数过程中，对左腿膝关节和右腿膝关节角度参数进行连续采样，每20ms采样一次，其中左腿角度变化过程中任意三个连续采样点记为TN,TN+1,TN+2，(N≥1,N为整数)，即TN+1与TN间隔20ms，TN+2与TN+1间隔20ms,对应上述三个时刻的膝关节角度分别为θTN，θT(N+1)，θT(N+2)。类似的，TM,TM+1,TM+2,(M≥1,M为整数),为右腿角度变化过程中的连续三个采样点，对应上述三个时刻的膝关节角度分别为θTM，θT(M+1)，θT(M+2)。
所述步骤S14步态分类判断规则中步态周期判断规则如下：
规则2：θL≤-20°，θR≤-20°，θTN＞θT(N+1)，θT(N+1)＜θT(N+2)，θTM＞θT(M+1)，θT(M+1)＜θT(M+2)；
如果首次满足上述条件则认为TN+2点和TM+2点的时间间隔为一个步态周期T。
所述步骤S14步态分类判断规则中判断左腿膝关节处于伸展阶段所用的规则包括：
规则3：θL≤-20°，θTN＜θT(N+1)＜θT(N+2)；
规则4：θL≤-20°，θR≤-20°，θL≤θR-10°，θTN＜θT(N+1)＜θT(N+2)；
规则3-4为并列关系，满足其一即可判断左腿膝关节处于伸展状态，并且首次满足条件θTN＜θT(N+1)＜θT(N+2)时，TN+2点位置为左腿膝关节伸展阶段膝关节角度的极值点。
所述步骤S14步态分类判断规则中判断右腿膝关节处于伸展阶段所用的规则包括：
规则5：θR≤-20°，θTM＜θT(M+1)＜θT(M+2)；
规则6：θL≤-20°，θR≤-20°，θL≤θR-10°，θTM＜θT(M+1)＜θT(M+2)；
规则5-6为并列关系，满足其一即可判断右腿膝关节处于伸展阶段，并且首次满足条件θTM＜θT(M+1)＜θT(M+2)＜0时，TM+2点位置为右腿膝关节伸展阶段膝关节角度的极值点。
所述步骤S14步态分类判断规则中判断右腿膝关节处于弯曲阶段所用的规则包括：
规则7：tLS≥T/2，θL≥-30°，θTM＞θT(M+1)＞θT(M+2)；
规则8：tLS≥T/2，θL≥θR，θTM＞θT(M+1)＞θT(M+2)；
规则9：tLS≥T/3，θL≥-20°，θL≥θR，θTM＞θT(M+1)＞θT(M+2)；
规则7-9为并列关系，满足其一即可判断右腿膝关节处于弯曲阶段，并且首次满足条件θTM＞θT(M+1)＞θT(M+2)时，TM+2点位置为右腿膝关节弯曲阶段膝关节角度的极值点。
所述步骤S14步态分类判断规则中判断左腿膝关节处于弯曲阶段所用的规则包括：
规则10：tRS≥T/2，θTN＞θT(N+1)＞θT(N+2)，θR≥-30°；
规则11：tRS≥T/2，θTN＞θT(N+1)＞θT(N+2)，θR≥θL；
规则12：tRS≥T/3，θR≥-20°,θR≥θL,θTN＞θT(N+1)＞θT(N+2)；
规则10-12为并列关系，满足其一即可判断左腿膝关节处于弯曲阶段，并且首次满足条件θTN＞θT(N+1)＞θT(N+2)时，TN+2点位置为左腿膝关节弯曲阶段膝关节角度的极值点。
优选地，所述步骤S2，建立负压弹性体驱动器在一个步态周期不同时刻提供的力矩输入方程包括：
结合用户步态周期中膝关节的力矩需求以及负压弹性体驱动器在自身所能提供的能够与步态周期匹配的伸展和弯曲力矩水平，在一个步态周期中，柔性膝关节外骨骼中的负压弹性体驱动器在不同时刻提供的力矩输入方程包括：
方程1：y＝k1·x (0≤x＜10)，
方程2：y＝10k1 (10≤x＜40)，
方程3：y＝10k1-(x-10)k1 (40≤x＜50)，
方程4：y＝-(x-5)·k2 (50≤x＜60)，
方程5：y＝-10k2 (60≤x＜90)，
方程6：y＝-(10k2-(x-90)·k2) (90≤x≤100)；
力矩输入方程中的K1、K2经过实验测试和体验测试后选取最优值为K1＝5，K2＝3；力矩为正值表示提供弯曲力矩，力矩为负值表示提供伸展力矩。
优先地，步骤S3，计算负压弹性体驱动器角度、气压与力矩三者之间的对应关系包括：
负压气动柔性膝关节外骨骼输出的力矩由负压弹性体驱动器提供，负压弹性体驱动器的输出力矩主要由负压弹性体驱动器的角度和气压共同决定。为了保证负压气动柔性膝关节外骨骼输出所需力矩，需要确定负压弹性体驱动器在不同角度下气压和力矩三者之间的对应关系。
对负压弹性体驱动器施加负压过程中，负压弹性体驱动器提供弯曲力矩。针对负压弹性体驱动器的弯曲力矩，由实验测试得到负压弹性体驱动器的气压、力矩与角度三个变量之间的关系，经曲线拟合得到如下关系表达式：
方程式7：F(α,M1)＝p00+α·p10+M1·p01+α2·p20+αM1·p11+M1 2·p02
其中，F(α,M1)代表负压弹性体驱动器气压，α代表负压弹性体驱动器角度，M1代表负压弹性体驱动器输出的弯曲力矩，p00＝-29.26，p10＝1.145,p01＝0.6278,p20＝-0.02803,p11＝-0.1712,p02＝-0.02424；
方程式8：F(β,M2)＝q00+β·q10+M2·q01+β2·q20+βM2·q11+M2 2·q02
其中，F(β,M2)代表负压弹性体驱动器气压，β代表负压弹性体驱动器角度，M2代表负压弹性体驱动器输出的伸展力矩，q00＝2.492，q10＝-0.8597,q01＝4.88,q20＝0.005572,q11＝0.05508,q02＝0.03078，表达式中的力矩数值均采用绝对值。
综合方程式7和方程式8，在行走过程中，在步态周期的不同阶段，根据负压弹性体驱动器的角度和需求力矩，实时计算得到负压弹性体驱动器需要达到的气压值。
优选地，所述步骤S4，气压-转速-气阀指令计算模型如下：
由力矩需求曲线和负压弹性体驱动器气压-角度-力矩对应关系方程式7和8，可以得到人体处于不同的步态周期，所需要的负压弹性体驱动器气压值。而负压弹性体驱动器的气压由流入负压弹性体驱动器的气量和流出负压弹性体驱动器的气量共同决定。流出负压弹性体驱动器的气量由气泵的转速决定，而流入负压弹性体驱动器的气量由气阀的开关量控制。依据理想气体状态方程9：
PV＝nrt
可知在体积不变情况下，气压P与气体总量n成正比关系，而气体总量是对气体流量的积分。但负压弹性体驱动器的体积不恒定，因此负压弹性体驱动器的气压与气体总量不成正比。基于上述因素，系统引入闭环调节机制，采用不依赖系统参数的比例-积分-微分控制器(PID控制器)实时调节气泵转速，达到所需气压。如图5所示，当实际气压大于设定值，主要通过PID控制器调节气泵转速，使得实际气压迅速达到给定气压。当实际气压小于设定值，则主要通过开通气阀充气，使负压弹性体驱动器的实际气压迅速达到设定值。通过构建上述气压-转速-气阀指令计算模型，可以依据传感器检测的信息，实时计算所需要的气泵转速和气阀开关量，最终实现负压弹性体驱动器输出所需力矩的需求。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，所述负压气动柔性膝关节外骨骼包括控制器、微型气泵、两位三通负压气阀、两位三通正压气阀、惯性测量单元模块、气压传感器、锂电池组、负压旋转弹性体驱动器、气管以及安装固定结构件；
所述实时反馈与闭环控制方法包括以下步骤：
步骤S1，进行人体行走步态判断，
步骤S2，建立负压弹性体驱动器在一个步态周期不同时刻提供的力矩输入方程，
步骤S3，计算负压弹性体驱动器角度、气压与力矩三者之间的对应关系，
步骤S4，构建气压-转速-气阀指令模型；
基于所述实时反馈与闭环控制方法，所述控制器首先对所述惯性测量单元模块采集人体下肢角度参数进行计算和分析，对人体当前的行走步态进行识别；然后对所述气压传感器实时采集的负压旋转弹性体驱动器的压力信息进行接收和处理，对用户步态周期中膝关节对力矩需求以及负压弹性体驱动器自身所能提供的与步态周期匹配的伸展和弯曲力矩水平进行评估，建立负压弹性体驱动器在一个步态周期中不同时刻提供的力矩输入方程，并计算负压弹性体驱动器在不同角度下气压和力矩三者之间的对应关系；最后构建气压-转速-气阀指令计算模型，实时计算满足模型所需要的气泵转速和气阀开关量，微型气泵、两位三通负压气阀以及两位三通正压气阀按照控制器指令，执行相应动作，通过负压弹性体驱动器为用户提供与步态周期和膝关节力矩需求匹配的辅助力矩；
其特征在于，所述步骤S2，建立负压弹性体驱动器在一个步态周期中不同时刻提供的力矩输入方程包括：
方程1：y＝k1·x，0≤x＜10，
方程2：y＝10k1，10≤x＜40，
方程3：y＝10k1-(x-10)k1，40≤x＜50，
方程4：y＝-(x-5)·k2，50≤x＜60，
方程5：y＝-10k2，60≤x＜90，
方程6：y＝-10k2-(x-90)·k2，90≤x≤100；
方程1-6中，y代表负压弹性体驱动器能提供的力矩，x代表一个步态周期的不同时刻；
力矩为正值表示提供弯曲力矩，力矩为负值表示提供伸展力矩，力矩输入方程中的K1、K2经过实验测试和体验测试后选取为K1＝5，K2＝3；
所述步骤S3，计算负压弹性体驱动器角度、气压与力矩三者之间的对应关系包括：
弯曲力矩方程式7：F(α，M1)＝p00+α·p10+M1·p01+α2·p20+αM1·p11+M1 2·p02，
其中，F(α,M1)代表负压弹性体驱动器气压，α代表负压弹性体驱动器角度，M1代表负压弹性体驱动器输出的弯曲力矩，p00＝-29.26，p10＝1.145,p01＝0.6278,p20＝-0.02803,p11＝-0.1712,p02＝-0.02424；
伸展力矩方程式8：F(β，M2)＝q00+β·q10+M2·q01+β2·q20+βM2·q11+M2 2·q02，
其中，F(β,M2)代表负压弹性体驱动器气压，β代表负压弹性体驱动器角度，M2代表负压弹性体驱动器输出的伸展力矩，表达式中的力矩数值均采用绝对值，q00＝2.492，q10＝-0.8597,q01＝4.88,q20＝0.005572,q11＝0.05508,q02＝0.03078；
所述步骤S4，构建气压-转速-气阀指令计算模型包括：
依据气压传感器实时检测到的负压弹性体驱动器压力信息，采用闭环调节机制，当负压弹性体驱动器实际气压大于设定值，采用不依赖负压气动柔性膝关节外骨骼系统参数的比例-积分-微分控制器实时计算并调节微型气泵转速，使得实际气压迅速达到给定气压；当负压弹性体驱动器实际气压小于设定值，实时计算气阀开关量，通过打开两位三通正压气阀充气，使负压弹性体驱动器的实际气压迅速达到设定值，从而实现负压弹性体驱动器输出所需力矩的需求。
2.根据权利要求1所述的负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S1进行人体行走步态判断包括：
步骤S11，将惯性测量单元模块安装到所述负压气动柔性膝关节外骨骼上；
步骤S12，对所述惯性测量单元模块进行校准，消除穿戴惯性测量单元模块位置不准确带来的影响；
步骤S13，使用所述惯性测量单元模块采集人体下肢角度参数，以及下肢运动时间参数；
步骤S14，以所述人体下肢角度参数作为输入信号，采用基于规则的分类算法对人体当前的行走模式进行识别。
3.根据权利要求2所述的负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S11过程包括：在负压气动柔性膝关节外骨骼安装4个惯性测量单元模块，分别位于左、右大腿和小腿的外侧，并且所有惯性测量单元模块的Pitch角度平面都与人体矢状面平行；
所述步骤S12的校准过程包括：存储人体静止站立时各惯性测量单元模块采集到的Pitch角度，并使所有惯性测量单元模块采集到的Pitch角度值都减去站立时采集到的Pitch角度，从而将人体静止站立时各惯性测量单元模块的Pitch角度都标定为零；根据惯性测量单元模块在腿上的安装位置，每个惯性测量单元模块的Pitch角度反应的是大腿或者小腿的旋转角度，将右大腿惯性测量单元模块的Pitch角度与右小腿惯性测量单元模块的Pitch角度相减和将左小腿惯性测量单元模块的Pitch角度与左大腿惯性测量单元模块的Pitch角度相减即可计算出两条腿的膝关节角度，为了处理的方便统一都将其转化为负值；
所述步骤S13中的人体下肢角度参数包括：左腿膝关节角度θL和右腿膝关节角度θR；所述下肢运动时间参数包括：左腿膝关节伸展时间和弯曲时间分别为tLS和tLB，右腿膝关节伸展时间和弯曲时间分别为tRS和tRB。
4.根据权利要求3所述的负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S14中的基于规则的分类算法包括采样规则，步态周期判断规则，以及步态分类判断规则；根据采样规则和步态周期判断规则，通过选取的采样点和多种特征与相应的条件和阈值组成步态分类判断规则来实现对人体当前的步态进行实时识别；所述的步态包括行走过程中左腿膝关节伸展阶段、左腿膝关节弯曲阶段、右腿膝关节伸展阶段和右腿膝关节弯曲阶段。
5.根据权利要求4所述的负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S14中采样规则为：
规则1：在采集人体下肢角度参数过程中，对左腿膝关节和右腿膝关节角度参数进行连续采样，每20ms采样一次，其中左腿角度变化过程中任意三个连续采样点记为TN,TN+1,TN+2，N≥1,N为整数，即TN+1与TN间隔20ms，TN+2与TN+1间隔20ms,对应上述三个时刻的膝关节角度分别为θTN，θT(N+1)，θT(N+2)；右腿角度变化过程中任意三个连续采样点记为TM,TM+1,TM+2,M≥1,M为整数,TM+1与TM间隔20ms，TM+2与TM+1间隔20ms,对应上述三个时刻的右腿膝关节角度分别为θTM，θT(M+1)，θT(M+2)。
6.根据权利要求5所述的负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S14中的基于规则的分类算法中的步态周期判断规则为：
规则2：θL≤-20°，θR≤-20°，θTN＞θT(N+1)，θT(N+1)＜θT(N+2)，θTM＞θT(M+1)，θT(M+1)＜θT(M+2)；
首次满足规则2则认为TN+2点和TM+2点的时间间隔为一个步态周期T。
7.根据权利要求5所述的负压气动柔性膝关节外骨骼实时反馈与闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S14步态分类判断规则包括：
规则3：θL≤-20°，θTN＜θT(N+1)＜θT(N+2)；
规则4：θL≤-20°，θR≤-20°，θL≤θR-10°，θTN＜θT(N+1)＜θT(N+2)；
规则5：θR≤-20°，θTM＜θT(M+1)＜θT(M+2)；
规则6：θL≤-20°，θR≤-20°，θL≤θR-10°，θTM＜θT(M+1)＜θT(M+2)；
规则7：tLS≥T/2，θL≥-30°，θTM＞θT(M+1)＞θT(M+2)；
规则8：tLS≥T/2，θL≥θR，θTM＞θT(M+1)＞θT(M+2)；
规则9：tLS≥T/3，θL≥-20°，θL≥θR，θTM＞θT(M+1)＞θT(M+2)；
规则10：tRS≥T/2，θTN＞θT(N+1)＞θT(N+2)，θR≥-30°；
规则11：tRS≥T/2，θTN＞θT(N+1)＞θT(N+2)，θR≥θL；
规则12：tRS≥T/3，θR≥-20°,θR≥θL,θTN＞θT(N+1)＞θT(N+2)；
其中，规则3-4为左腿膝关节处于伸展阶段的判断规则，规则3-4为并列关系，满足其一即可判断左腿膝关节处于伸展状态，并且首次满足条件θTN＜θT(N+1)＜θT(N+2)时，TN+2点位置为左腿膝关节伸展阶段膝关节角度的极值点；
规则5-6为右腿膝关节处于伸展阶段的判断规则，规则5-6为并列关系，满足其一即可判断右腿膝关节处于伸展阶段，并且首次满足条件θTM＜θT(M+1)＜θT(M+2)＜0时，TM+2点位置为右腿膝关节伸展阶段膝关节角度的极值点；
规则7-9为右腿膝关节处于弯曲阶段的判断规则，规则7-9为并列关系，满足其一即可判断右腿膝关节处于弯曲阶段，并且首次满足条件θTM＞θT(M+1)＞θT(M+2)时，TM+2点位置为右腿膝关节弯曲阶段膝关节角度的极值点；
规则10-12为左腿膝关节处于弯曲阶段的判断规则，规则10-12为并列关系，满足其一即可判断左腿膝关节处于弯曲阶段，并且首次满足条件θTN＞θT(N+1)＞θT(N+2)时，TN+2点位置为左腿膝关节弯曲阶段膝关节角度的极值点。
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