CN112405504A - 外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种外骨骼机器人，其中，外骨骼机器人包括下肢组件和控制装置；控制装置包括：标准步态模块、时间模块、第一控制模块和第二控制模块；标准步态模块用于获取固定步态模式下的标准步态曲线；时间模块用于在步态趋近模式下，通过力传感器获取用户的发力方向，并获取用户的运动间隔时间；第一控制模块用于若运动间隔时间小于第一预设时间，控制外骨骼机器人保持步态趋近模式进行运动；第二控制模块用于若运动间隔时间大于或等于第一预设时间，将步态趋近模式切换至固定步态模式。通过本申请，解决了外骨骼机器人自动化水平低和训练模式单一的问题，实现了有针对性的、全面的自适应外骨骼机器人控制。

Description

外骨骼机器人

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，特别是涉及外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人是一种具备运动支撑防护功能的可穿戴式设备，具有广泛应用。外骨骼机器人能够有效地辅助肢体功能障碍的用户进行下肢的训练。其中，下肢外骨骼机器人的基本工作方式为，利用机器人运动带动穿戴或捆绑在机器人上的用户进行下肢运动。

在相关技术中，外骨骼机器人一般只能是通过简单模仿或拟合或复现人的下肢运动步态，以实现针对用户的被动训练。这种机器人的自动化水平低，而且训练模式单一，无法满足精细化运动需求。

目前针对相关技术中外骨骼机器人自动化水平低和训练模式单一的问题，尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种外骨骼机器人，以至少解决相关技术中外骨骼机器人自动化水平低和训练模式单一的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种外骨骼机器人，所述外骨骼机器人的工作模式包括固定步态模式和步态趋近模式；所述外骨骼机器人包括下肢组件和控制装置；所述下肢组件上安装有力传感器；所述控制装置包括：标准步态模块、时间模块、第一控制模块和第二控制模块；

所述标准步态模块，用于获取所述固定步态模式下的标准步态曲线；

所述时间模块，用于在所述步态趋近模式下，通过力传感器获取用户的发力方向，并根据所述发力方向以及所述标准步态曲线，获取所述用户的运动间隔时间；

所述第一控制模块，用于若所述运动间隔时间小于第一预设时间，控制所述外骨骼机器人保持所述步态趋近模式进行运动；

所述第二控制模块，用于若所述运动间隔时间大于或等于所述第一预设时间，将所述步态趋近模式切换至所述固定步态模式，控制所述外骨骼机器人保持所述固定步态模式进行运动。

在其中一些实施例中，所述时间模块还用于在所述标准步态曲线的理想方向与所述发力方向之间的夹角小于预设夹角，且所述发力方向上的合力大于预设阈值的情况下，根据所述合力，以及根据所述标准步态曲线上与所述合力相对应的理想力值，获取所述运动间隔时间。

在其中一些实施例中，所述第二控制模块还用于获取所述夹角大于或等于预设夹角的累计时间；

所述第二控制模块用于若所述运动间隔时间大于或等于所述第一预设时间，且所述累计时间大于或等于第二预设时间，将所述步态趋近模式切换至所述固定步态模式。

在其中一些实施例中，所述第一预设时间等于所述第二预设时间。

在其中一些实施例中，所述工作模式还包括阻抗模式，所述控制装置还包括第三控制模块；

所述第三控制模块，用于若所述运动间隔时间大于或等于所述第一预设时间，将所述步态趋近模式切换至所述阻抗模式，并控制所述外骨骼机器人保持所述阻抗模式进行运动；其中，所述第一预设时间范围小于所述第三预设时间范围。

在其中一些实施例中，所述工作模式还包括力反馈模式；在所述力反馈模式下，所述装置还包括第四控制模块；

所述第四控制模块，用于获取所述力传感器的传感参数；

所述第四控制模块根据所述传感参数控制电机，进而通过所述电机控制所述外骨骼机器人保持所述力反馈模式进行运动；

所述第四控制模块在通过编码器和姿态传感器计算检测到所述外骨骼机器人摆动相步态完成的情况下，将所述力反馈模式切换至所述阻抗模式，并控制所述外骨骼机器人保持所述阻抗模式进行支撑性步态运动。

在其中一些实施例中，将所述阻抗模式替换为导纳模式。

在其中一些实施例中，在所述阻抗模式下，所述第三控制模块还用于根据所述标准步态曲线的期望位置，以及获取到的所述力传感器的传感参数，利用离散差分计算得到修正误差；

所述第三控制模块根据所述用户的修正误差，以及所述修正误差的多阶导数，获取所述阻抗模式的实际输出值；

所述第三控制模块根据所述修正误差获取所述实际输出值的修正结果，并根据所述修正结果控制所述外骨骼机器人运动。

在其中一些实施例中，在所述固定步态模式下，所述第二控制模块还用于通过步态参数获取所述外骨骼机器人的踝关节轨迹和髋关节轨迹；

所述第二控制模块利用时间插值算法，根据所述踝关节轨迹和所述髋关节轨迹获取所述标准步态曲线；

所述第二控制模块根据所述标准步态曲线获取所述外骨骼机器人的各下肢部件的指定位姿；

所述第二控制模块根据所述指定位姿，反解得到所述外骨骼机器人的关节角度；其中，所述关节角度和所述下肢部件相匹配；

所述第二控制模块根据所述关节角度控制所述外骨骼机器人运动，进而完成被动训练。

在其中一些实施例中，其特征在于，所述控制装置还包括提醒模块；

所述提醒模块，用于实时获取所述用户的实际步幅；

所述提醒模块根据所述实际步幅，以及所述标准步态曲线中的标准步幅，获取步幅误差；

所述提醒模块在所述步幅误差大于预设尺寸值的情况下，通过提醒装置进行提醒操作；和/或，将所述步幅误差发送至服务器进行同步存储。

相比于相关技术，本申请实施例提供了一种外骨骼机器人，外骨骼机器人包括下肢组件和控制装置；控制装置包括：标准步态模块、时间模块、第一控制模块和第二控制模块；标准步态模块获取固定步态模式下的标准步态曲线；时间模块用于在步态趋近模式下，通过力传感器获取用户的发力方向，并获取用户的运动间隔时间；第一控制模块用于若运动间隔时间小于第一预设时间，控制外骨骼机器人保持步态趋近模式进行运动；第二控制模块用于若运动间隔时间大于或等于第一预设时间，将步态趋近模式切换至固定步态模式，解决了外骨骼机器人自动化水平低和训练模式单一的问题，实现了有针对性的、全面的自适应外骨骼机器人控制。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为根据本申请实施例的一种外骨骼机器人控制方法的流程图；

图2为根据本申请实施例的一种步态周期的示意图；

图3为根据本申请实施例的另一种外骨骼机器人控制方法的流程图；

图4为根据本申请实施例的一种外骨骼机器人刚体的示意图；

图5A为根据本申请实施例的一种外骨骼机器人下肢组件的结构框图；

图5B为根据本申请实施例的一种外骨骼机器人控制装置的结构框图；

图6为根据本申请实施例的一种计算机设备内部的结构图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

在本实施例中，提供了一种外骨骼机器人的控制方法，其中，该外骨骼机器人的工作模式包括固定步态模式和步态趋近模式。图1为根据本申请实施例的一种外骨骼机器人控制方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：

步骤S102，获取该固定步态模式的标准步态曲线。其中，该固定步态模式属于被动运动的模式，该模式在一个步态周期内运动是完全固定的；该固定步态模式的步态运动可以通过该标准步态曲线体现。该标准步态曲线的计算方式可以为：通过采集大量的正常人下肢运动数据样本来拟合出一个能够适应于大部分人的“标准运动”，然后依靠机器人的机械运动力来带动下肢失能弱能的用户进行运动训练，不同的用户所采用的运动训练方法在同一个步态周期完全一致；或者，也可以在上述下肢运动数据样本的计算基础上加入运动学和几何学的计算，不再完全依靠固定的运动方式进行训练，而是将用户的身高、大小腿腿长等生理参数考虑进去，再通过轨迹规划和运动学等基本数学原理来计算出一个近似的“标准步态”，之后利用外骨骼机器人的机械运动带动用户进行运动，这种方法在同一个步态周期内运动也是完全一样的。

其中，图2为根据本申请实施例的一种步态周期的示意图，如图2所示，以右腿为例，一个完整的步态周期为：假设人体下肢从右足跟开始接触地面，则到右足跟再次接触地面的这一个周期。根据下肢在一个完整的步态周期中的运动，可以分为摆动相(swingphase)和支撑相(stance phase)。支撑相是指从足跟触地到足尖离地，即足部接触地面的时间，约占整个步态周期的60％；摆动相是指从足尖离地到足跟触地，即足部离开地面的时间，约占整个步态周期的40％。此外根据两腿的相互姿态，一个步态周期又可分为单腿支撑相(single supportphase，简称为SSP)、双腿支撑相(double support phase，简称为DSP)、双腿作用相(double impactphase)以及转换相(switch phase)等。因此人正常行走时的步态周期主要是由单腿支撑相和双腿支撑相组成。

步骤S104，在该步态趋近模式下，通过力传感器获取用户的发力方向，并根据该发力方向以及该标准步态曲线，获取该用户的运动间隔时间。

其中，步态趋近模式是指步态固定但步态周期不固定，即通过时间上的修正量来调整该步态周期。例如，可以控制该外骨骼机器人随着踝关节端点力的合成方向向前进行触发式运动，可力量较大则运动较快，力量小则运动较慢，直至完成一个步态周期的运动。此外，该用户的发力方向，可以通过力传感器检测到的当前时刻点的传感参数计算获得；该用户的运动方向，可以通过该力传感器检测到的一段时间内的传感参数计算获得。

在该步态趋近模式下，假设有前侧腿膝髋关节力矩τ₁和τ₂，其合成力矩在步态的切向运动方向的合成力为τ_x，令标准步态每次前向运动的运动间隔时间为ΔT，则有ΔT＝K/τ_X；需要说明的是，这里ΔT并不是在离散控制中固定的下一个节拍，而是会实时变化的，例如，假设外骨骼机器人的某个关节每10ms控制一次向前前进一个角度，这样只要知道每个前进角度之间的变化，则关节角度的运动就固定，但是在这里因为有时间修正，所以下一个固定角度的的运动时间不是10ms，可能是1ms也可能是1s；甚至该运动时间可以是最大无上限，即说明此时外骨骼机器人停止不动了，这样最终实现的效果就是这一步空间轨迹在标准步态内，且运动时间可快可慢，而且可以空中暂停运动，这所用的调整都是基于力传感器的人机交互力实现的。

步骤S106，若该运动间隔时间小于第一预设时间，控制该外骨骼机器人保持该步态趋近模式进行运动；若该运动间隔时间大于或等于该第一预设时间，将该步态趋近模式切换至该固定步态模式，控制该外骨骼机器人保持该固定步态模式进行运动。可以理解的是，本申请实施例中可以通过安装在该外骨骼机器人上的电机，控制该外骨骼机器人进行运动。

需要说明的是，该步态趋近模式的空间轨迹为标准步态，但是用户必须依靠自己的力量触发轨迹行走；在这一阶段工作模式过程中，假设用户完成自然步态力量为100％，则在步态趋近模式的阶段中人机合力大小会小于100％。其中，该第一预设时间可以预先进行设置，例如，可以将该第一预设时间设置为3s；如果用户的运动间隔时间小于该第一预设时间，则说明该运动间隔时间较短，用户可以继续保持该步态趋近模式以进行主动训练的运动；而如果用户的运动间隔时间大于或者等于该第一预设时间，则说明该运动间隔时间较长，甚至已经暂停运动，则此时控制装置会判定用户无力自主完成剩下的步态，因此会将该步态趋近模式转换为固定步态模式，以辅助用户完成该步态剩余动作；可以理解的是，控制该固定步态模式转换至该步态趋近模式，同样也可以完成工作模式的转换，进而完成整个步态周期的动作。

通过上述步骤S102至步骤S106，通过力传感器获取的发力方向，以及固定步态模式下的标准步态曲线获取运动间隔时间，并根据运动间隔时间判断外骨骼机器人的工作模式，从而能够在标准步态内由用户主动出力控制步态大小，同时根据该运动间隔时间实时计算并提供分段的工作模式转换，使得本申请中外骨骼机器人控制方法能够自动化适配不同阶段不同病情的和个人差异性进行下肢运动训练，并且全面涵盖了主动运动和被动运动，从而解决了外骨骼机器人自动化水平低和训练模式单一问题，实现了有针对性的、全面的外骨骼机器人控制。

在其中一些实施例中，提供了一种外骨骼机器人的控制方法，图3为根据本申请实施例的另一种外骨骼机器人控制方法的流程图，如图3所示，该流程如下步骤：

步骤S302，在该步态趋近模式下，通过力传感器获取用户的发力方向；在该标准步态曲线的理想方向与该发力方向之间的夹角小于预设夹角，且该发力方向上的合力大于预设阈值的情况下，根据该合力，以及根据该标准步态曲线上与该合力相对应的理想力值，获取该运动间隔时间。

具体地，预设夹角和预设阈值可以预先进行设置，例如，可以将该预设夹角设置为30°，或者可以将该预设阈值设置为300N。在控制外骨骼机器人运动过程中，通过力传感器检测用户的发力方向，并计算获取该发力方向和运动方向之间的夹角，该夹角可以用α表示；若该夹角α小于该预设夹角，且用户发力的合力大于该预设阈值，说明用户用力方向正常，则计算获取运动间隔时间，该计算公式如公式1所示；

其中，ΔT表示运动间隔时间，F_n表示合力的力值，F_d表示上述理想力值，因此通过该合力和该理想力值可以得到运动时间间隔，并且该合力和该理想力值之间的差越大，说明用户用力的力度越大，此时求解得到的运动时间间隔越小，从而实现了用户力量越大运动速度越快，且空间轨迹固定的运动模式。需要说明的是，当合力较小或发力方向错误时，说明用户发力不合理，则暂停并在满足条件的情况下进行模式切换。

通过上述步骤S302，通过比较力传感器检测的发力方向，以及发力方向上的合力大小，从而确定和控制相应的外骨骼机器人的实际速度，实现了对外骨骼机器人运动速度的实时控制；并且在检测到用户发力不合理时，可以控制机器人减缓速度甚至暂停，因此确保了用户安全，有效提高了外骨骼机器人的安全性。

在其中一些实施例中，外骨骼机器人的控制方法还包括如下步骤：获取该夹角大于或等于预设夹角的累计时间；该运动间隔时间大于或等于该第一预设时间，且该累计时间大于或等于第二预设时间，将该步态趋近模式切换至该固定步态模式。

其中，运动间隔时间大于或等于该第一预设时间，则说明该运动间隔时间较长，需要将该步态趋近模式转换为固定步态模式。若该夹角大于或等于预设夹角，则说明用户的发力方向和理想方向之间的误差较大，即用户发力方向出错；若夹角大于或等于预设夹角的累计时间大于或等于第二预设时间，说明用户在较长的连续时间内发力方向错误，此时也可以切换模式为固定步态模型帮助用户进行运动矫正。需要说明的是，该第二预设时间也可以预先设置，例如设置为2s；并且，该第二预设时间也可以设置为与该第一预设时间相等的数值，例如，将该第一预设时间和该第二预设时间均设置为3s。

通过上述实施例，结合运动间隔时间，以及夹角大于或等于预设夹角的累计时间，综合判断是否需要进行模式切换，从而避免了单一判断导致的模式切换控制失误，有效提高了外骨骼机器人控制的准确性。

在其中一些实施例中，提供了一种外骨骼机器人的控制方法，其中，该外骨骼机器人的工作模式还包括阻抗模式。在根据该发力方向和该标准曲线获取运动间隔时间之后，该控制方法还包括如下步骤：若该运动间隔时间大于或等于该第一预设时间，将该步态趋近模式切换至该阻抗模式，并通过该电机控制该外骨骼机器人保持该阻抗模式进行运动。其中，若该运动间隔时间大于或等于该第一预设时间，则说明此时用户行走速度过慢，例如偏瘫或消防员等用户已无力继续运动，因此可以通过阻抗模式控制外骨骼机器人保证正常速度，以辅助用户完成剩余动作。

其中，阻抗模式以固定步态的标准曲线为参考，下肢肌无力等用户可以依靠自己的力量走出较大或者较小的步态，但是都在标准步态范围之内，且这种步态在时间上是固定的。假设阻抗模式中完成自然步态力量为100％，则人力合力可以大于100％也可以小于100％，外骨骼机器人的控制装置会根据人机交互力动态调整步态轨迹，使得轨迹发生变化。

通过上述实施例，在运动间隔时间位于第三预设时间范围内的情况下，控制外骨骼机器人的工作模式切换至阻抗模式，使得此时可以强制用户用力，以便在用户体力耗尽的情况下辅助完成剩余步态动作，从而进一步提高了外骨骼机器人的自动化水平，同时也增加了外骨骼机器人训练模式。

在其中一些实施例中，在阻抗模式下，该控制方法包括如下步骤：根据该标准步态曲线的期望位置，以及获取到的该力传感器的传感参数，利用离散差分计算得到修正误差；根据该修正误差，以及该修正误差的多阶导数，获取该阻抗模式的实际输出值；根据该修正误差获取该实际输出值的修正结果，并根据该修正结果控制该外骨骼机器人运动。

其中，假设外骨骼机器人的数学模型为一个阻尼-弹簧-质量系统，引入参考力F_r，定义误差力为：F_e＝F_r-F_c，则可以得到公式2，如下所示：

其中，M_d、B_d、K_d分别代表目标阻抗模型的惯性矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。X代表实际位置的位置向量，X_r代表期望位置，F_r为期望力矩F_c为交互力，在实际使用中将F_c作为误差力F_e。所以实际使用中为上述数学模型的最后一条。又因为加速度无法控制，所以将模型简化为速度和位置控制，则只有B_d、K_d两个参数需要调整。

设有理想步态G，但是下肢肌无力等用户在使用时无法走出理想步态，而用户自身又有一定的行走能力，需要下肢外骨骼机器人对其进行步态矫正并鼓励其进行主动训练，使得用户自己发力可以进行行走而设备只在步态畸形的阶段介入矫正，在较理想的步态轨迹下不做介入。

设有ΔX＝X-X_r，其中X_r为G所对应的理想关节角度；Fe为力矩传感器读数，将阻抗控制转化为离散差分方程从而获得ΔX，进一步获得实际位置X和X的一阶导数(也就是速度)为实际的输出值，修正步态。区别于相关技术，本申请实施例的阻抗模式步态修正中，无需设置预测环节，以理想步态G来代替会使得算法更为简单；且ΔX修正方式不同，相关技术中通常是正向修正，而本申请是反向修正，使得工程上最后执行相对简单；其中，假设人机之间存在交互力模型F＝kΔX，k为刚度，则可以通过设置刚度值来调节人机的交互力。

需要说明的是，上述阻抗模式还可以替换为导纳模式；对于一个简单系统，阻抗控制和导纳控制的控制目标都是设计控制力F来建立交互力和误差e＝x-x₀间的动态响应关系。在导纳控制中，被控对象是收位置控制的且表现为机械阻抗，因此控制器表现为机械导纳。位置控制器可以通过PD控制实现。其中，导纳控制器的核心是根据输出交互力结合自定阻抗弹簧模型计算出参考轨迹，而阻抗控制的核心是根据轨迹误差和交互力计算控制力矩。

通过上述实施例，在阻抗模式下，通过力传感器的传感参数，以及标准步态曲线计算得到修正误差，并根据误差获取该阻抗模式的实际输出值的修正结果，从而实现了反向修正，并且在保证计算精度的情况下通过使用标准步态节省了预测步骤，使得算法更加简单，有效提高了外骨骼机器人的控制效率。

在其中一些实施例中，提供了一种外骨骼机器人的控制方法，其中，该外骨骼机器人的工作模式还包括力反馈模式。在该力反馈模式下，该控制方法还包括如下步骤：

步骤S402，获取该力传感器的传感参数；根据该传感参数控制电机，进而通过该电机控制该外骨骼机器人保持该力反馈模式进行运动。其中，该力反馈模式可以应用于偏瘫用户，则外骨骼机器人的下肢组件中的一侧设置有该力传感器，且设置力传感器的一侧与偏瘫用户的健侧相对应；该力传感器经过传感参数的计算后，将该传感参数的计算结果下发给电机电流环执行，从而使得电机能够驱动外骨骼机器人在力反馈模式下运动。

步骤S404，在通过编码器和姿态传感器计算检测到该外骨骼机器人摆动相步态完成的情况下，将该力反馈模式切换至该阻抗模式，并通过该电机控制该外骨骼机器人保持该阻抗模式进行支撑性步态运动。具体地，该外骨骼机器人安装有该编码器和该姿态传感器；其中，该姿态传感器包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器；该姿态传感器用于进行三维运动姿态测量，可以通过内嵌的低功耗Advanced RISC Machines(简称为ARM)处理器得到经过温度补偿的三维姿态与方位等数据。通过该编码器和该姿态传感器可以推算出随动侧踝关节轨迹是否进入预定的空间范围内，该预设的空间范围可以为标准步态曲线上的范围；进而根据推算的结果判断健侧的摆动相步态是否完成；在健侧完成摆动相步态后，可以将该力反馈模式切换至该阻抗模式，通过阻抗控制完成健侧的支撑性运动。可以理解的是，外骨骼机器人同用户患侧一侧可以一直通过阻抗模式进行控制。

通过上述步骤S402至步骤S404，通过力反馈模式控制外骨骼机器人运动，将外骨骼机器人各个刚体结构所产生的力矩根据当前位姿补偿到电机的输出环节中，从而达到在健侧随动的效果，使得人际之间的交互力可以有效减少。

在其中一些实施例中，在该固定步态模式下，该控制方法还包括如下步骤：

步骤S502，通过步态参数获取该外骨骼机器人的踝关节轨迹和髋关节轨迹。

其中，可以以当前步态周期，外骨骼机器人的下肢组件中的支撑腿踝关节为坐标原点，则该步态参数包括：启动时站立两脚之间的距离L_x、上一个跨过的障碍物的高、上一个跨过障碍物的长、上一个跨过障碍物的位置、下一步落脚点两腿之间的距离、下一个障碍物的高、下一个障碍物的长、下一个障碍物的位置、小腿长s和大腿长h。通过上述步态参数可以规划出该踝关节轨迹和该髋关节轨迹。髋关节为三点规划，定义髋关节近似行走了一段弧线，则踝关节轨迹的计算如公式3至公式5所示：

k₁＝(0,s+h) 公式4

其中，k₀至k₂表示一段髋关节轨迹中的各点。

步骤S504，利用时间插值算法，根据该踝关节轨迹和该髋关节轨迹获取该标准步态曲线。

需要说明的是，该标准步态曲线的是针对踝关节末端的空间运动轨迹进行轨迹规划的。假设该标准步态曲线的一段轨迹为空间抛物线，由9个点分成8段来确定并用3次样条进行插值，以固定边界条件；则该段轨迹的区间[a，b]被分为8个区间[(x₀，x₁)，(x₁，x₂)……(x₈，x₉)]，共有x₀至x₉这9个点；其中两个端点x₀和x₉，即一个步态周期中上一次的落地点和本次迈步的落地点；三次样条，即每个小区间内的曲线是一个三次方程，该三次方程满足以下条件：1、在每个分段小区间[x_i，x_i+1]上，S(x)＝S_i(x)都是一个三次方程；2、满足插值条件，即S_i(x)＝y_i；3、曲线光滑，即

连续；则该三次方程可以构造成的形式如公式6所示：

y＝a_i+b_ix+c_ix²+d_ix³ 公式6

其中，公式14称为三次样条函数S_i(x)。

对上述踝关节轨迹和髋关节归结进行按照控制时间的差值，即可获得外骨骼机器人的末端空间运行轨迹，即标准步态曲线。

步骤S506，根据该标准步态曲线获取该外骨骼机器人的各下肢部件的指定位姿。

其中，图4为根据本申请实施例的一种外骨骼机器人刚体的示意图，如图4所示，将外骨骼机器人的下肢组件视为刚体连杆，分别是右脚掌x₀、右小腿x₁、右大腿x₂、腰部x₃、左大腿x₄和左小腿x₅，每个连杆上都固定一个坐标系，然后用4×4的齐次变换矩阵，即D-H矩阵来描述相邻两连杆的空间关系。通过依次变换可最终推导出末端执行器相对于基坐标系的位姿，从而建立机器人的运动学方程。D-H矩阵参数如表1所示：

表1 D-H矩阵参数

已知关节空间变量，求解各零部件相对于基座的位置和姿态：u＝(xyz)^T,n,o,a；q＝(θ₁θ₂θ₃θ₄θ₅)^T需要说明的是，为了简化三角函数符号，下文c_i表示cosθ_i，s_i表示sinθ_i，c₂₃₄表示cos(θ₂+θ₃+θ₄)，s₂₃₄表示sin(θ₂+θ₃+θ₄)，依次类推。

则各连杆之间的变化矩阵可以分别表示为：

其中，以腰部为例，连杆3(腰部)相对于基座(右脚掌)的位姿求解如公式7所示：

步骤S508，根据该指定位姿，反解得到该外骨骼机器人的关节角度；其中，该关节角度和该下肢部件相匹配。

其中，以右腿为支撑腿为例，由于连杆3(腰部)相对于基座(右脚掌)的位姿可以表示为公式8所示：

根据上式可得，计算可得θ₁，以及计算可得θ₁+θ₂，分别如公式9和公式10所示：

其中，A＝2y₃，B＝2(a-x₃)，C＝h²-s²-y₃ ²-(a-x₃)²。联立公式24和公式25可以求解得到θ₂。

又有公式11如下所示：

θ₁+θ₂+θ₃＝β 公式11

因此，联立公式10和公式11，从而求解出θ₃。其中，上述为外骨骼机器人7刚体模型逆运动学支撑腿求解，θ₁表示右腿踝关节角度，θ₂表示右腿膝关节角度，θ₃表示髋关节角度。可以理解的是，非支撑腿的求解可以与上述求解相类似，在此不再赘述。

步骤S510，根据该关节角度控制该外骨骼机器人运动，进而完成被动训练。

通过上述步骤S502至步骤S510，利用插值算法来进行标准步态曲线的轨迹规划，并根据该标准步态曲线获取外骨骼机器人的指定位姿，进而根据该指定位姿反解得到各关节角度，以进行外骨骼机器人的控制，从而容易实现在线实时计算反解，有效提高了外骨骼机器人控制的准确性和效率。

在其中一些实施例中，在该步态趋近模式切换至该固定步态模式，并通过该电机控制该外骨骼机器人保持该固定步态模式进行运动之后，该控制方法还包括如下步骤：切换后的该固定步态模式中的步态时间大于该被动训练中的步态时间。其中，在模式切换后，固定步态时间要略长于被动训练中做完相同动作所用时间，从而使得用户力量可以缓慢收回，而不至于马上懈力，因此进一步提高了外骨骼机器人的安全性。

在其中一些实施例中，在控制该外骨骼机器人运动的过程中，该控制方法还包括如下步骤：

步骤S602，实时获取该用户的实际步幅；根据该实际步幅，以及该标准步态曲线中的标准步幅，获取步幅误差。其中，实际步幅可以通过力传感器的传感参数计算获得。

步骤S606，在该步幅误差大于预设尺寸值的情况下，通过提醒装置进行提醒操作；和/或，将该步幅误差发送至服务器进行同步存储。

其中，该预设尺寸值可以预先进行设置，例如可以设置为0.5m。由于外骨骼机器人控制过程中，每一个步态周期的时间是确定的，但是步态长度大小会由用户出力大小决定。因此，可以在同一次步行训练中动态确定标准步幅，即通过将该步幅误差限制在一定范围内，例如小于或等于该预设尺寸值，使得用户的实际步态可以与标准步态相适应。而如果该步幅误差过大，即该步幅误差大于预设尺寸值，则说明该步幅误差过大，需要通过提醒装置提醒用户进行调整，该提醒装置可以为显示屏或声光装置等。或者，当步幅误差过大时，还可以将数据进行存储，并同步到远程的服务器，以便后续检查用户使用状态时进行数据查询；其中，该服务器可以通过网络连接该外骨骼机器人的控制装置。

通过上述步骤S602至步骤S604，在外骨骼机器人的控制过程中，还可以对用户步态长度的大小进行限制，在检测到用户步幅误差较大的情况下进行实时提醒，从而进一步提高了外骨骼机器人的自动化水平。

需要说明的是，在上述流程中或者附图的流程图中示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在本实施例中，提供了一种外骨骼机器人，其中，该外骨骼机器人的工作模式包括固定步态模式和步态趋近模式；该外骨骼机器人包括下肢组件和控制装置。该控制装置56用于采用前述任一实施例提供的外骨骼机器人的控制方法对外骨骼机器人的工作模式进行控制。

图5A为根据本申请实施例的一种外骨骼机器人下肢组件的结构框图，如图5A所示，该下肢组件52上安装有力传感器54；该下肢组件52包括右脚掌、右小腿、右大腿、腰部、左大腿、左小腿和左脚掌这七个部件，通过控制这七个部件，可以控制该外骨骼机器人的下肢运动。

图5B为根据本申请实施例的一种外骨骼机器人控制装置的结构框图，如图5B所示，该控制装置56包括：标准步态模块562、时间模块564、第一控制模块566和第二控制模块568。该标准步态模块562，用于获取固定步态模式的标准步态曲线；该时间模块564，用于在步态趋近模式下，通过该力传感器54获取用户的发力方向，并根据该发力方向和该标准步态曲线获取该用户的运动间隔时间；该第一控制模块566，用于若该运动间隔时间小于第一预设时间，控制该外骨骼机器人保持该步态趋近模式进行运动；该第二控制模块568，用于若该运动间隔时间大于或等于该第一预设时间，将该步态趋近模式切换至该固定步态模式，控制该外骨骼机器人保持该固定步态模式进行运动。

通过上述实施例，控制装置56通过力传感器54获取的发力方向，以及固定步态模式下的标准步态曲线获取运动间隔时间，并根据运动间隔时间判断外骨骼机器人的工作模式，从而能够在标准步态内由用户主动出力控制步态大小，同时根据该运动间隔时间实时计算并提供分段的工作模式转换，使得本申请中外骨骼机器人的控制能够自动化适配不同阶段不同病情的和个人差异性进行下肢运动训练，并且全面涵盖了主动运动和被动运动，从而解决了外骨骼机器人自动化水平低和训练模式单一问题，实现了有针对性的、全面的外骨骼机器人控制。

在其中一些实施例中，该时间模块564还用于在在该标准步态曲线的理想方向与该发力方向之间的夹角小于预设夹角，且该发力方向上的合力大于预设阈值的情况下，根据该合力，以及根据该标准步态曲线上与该合力相对应的理想力值，获取该运动间隔时间。

在其中一些实施例中，该第二控制模块568还用于获取该夹角大于或等于预设夹角的累计时间；该第二控制模块568用于若该运动间隔时间大于或等于该第一预设时间，且该累计时间大于或等于第二预设时间，将该步态趋近模式切换至该固定步态模式。

在其中一些实施例中，该第一预设时间等于该第二预设时间。

在其中一些实施例中，该工作模式还包括阻抗模式，该控制装置还包括第三控制模块；该控制装置56还包括第三控制模块；该第三控制模块，用于若该运动间隔时间大于或等于该第一预设时间，将该步态趋近模式切换至该阻抗模式，并通过该电机控制该外骨骼机器人保持该阻抗模式进行运动。

在其中一些实施例中，该工作模式还包括力反馈模式；在该力反馈模式下，该外骨骼机器人还包括编码器和姿态传感器，且该控制装置56还包括第四控制模块；该第四控制模块，用于获取该力传感器54的传感参数；该第四控制模块根据该传感参数控制该电机，进而通过该电机控制该外骨骼机器人保持该力反馈模式进行运动；该第四控制模块在通过该编码器和该姿态传感器计算检测到该外骨骼机器人摆动相步态完成的情况下，将该力反馈模式切换至该阻抗模式，并控制该外骨骼机器人保持该阻抗模式进行支撑性步态运动。

在其中一些实施例中，将该阻抗模式替换为导纳模式。

在其中一些实施例中，在该阻抗模式下，该第三控制模块还用于根据该标准步态曲线的期望位置，以及获取到的该力传感器的传感参数，利用离散差分计算得到修正误差；该第三控制模块根据该修正误差，以及该修正误差的多阶导数，获取该阻抗模式的实际输出值；该第三控制模块根据该修正误差获取该实际输出值的修正结果，并根据该修正结果控制该外骨骼机器人运动。

在其中一些实施例中，在该固定步态模式下，该第二控制模块568还用于通过步态参数获取该外骨骼机器人的踝关节轨迹和髋关节轨迹；该第二控制模块568利用时间插值算法，根据该踝关节轨迹和该髋关节轨迹获取该标准步态曲线；该第二控制模块568根据该标准步态曲线获取该外骨骼机器人的各下肢部件的指定位姿；该第二控制模块568根据该指定位姿，反解得到该外骨骼机器人的关节角度；其中，该关节角度和该下肢部件相匹配；该第二控制模块568根据该关节角度控制该外骨骼机器人运动，进而完成被动训练。

在其中一些实施例中，该控制装置还包括提醒模块；该提醒模块，用于实时获取该用户的实际步幅；该提醒模块根据该实际步幅，以及该标准步态曲线中的标准步幅，获取步幅误差；该提醒模块在该步幅误差大于预设尺寸值的情况下，通过提醒装置进行提醒操作；和/或，该提醒模块将该步幅误差该至服务器进行同步存储。

在本实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，图6为根据本申请实施例的一种计算机设备内部的结构图，如图6所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储标准步态曲线。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现上述外骨骼机器人的控制方法。

本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

本实施例还提供了一种电子装置，包括存储器和处理器，该存储器中存储有计算机程序，该处理器被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。

可选地，上述电子装置还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。

可选地，在本实施例中，上述处理器可以被设置为通过计算机程序执行以下步骤：

S1，获取该固定步态模式下的标准步态曲线。

S2，在该步态趋近模式下，通过力传感器获取用户的发力方向，并根据该发力方向和该标准步态曲线获取该用户的运动间隔时间。

S3，若该运动间隔时间小于第一预设时间，通过电机控制该外骨骼机器人保持该步态趋近模式进行运动。

S4，若该运动间隔时间大于或等于该第一预设时间，将该步态趋近模式切换至该固定步态模式，并通过该电机控制该外骨骼机器人保持该固定步态模式进行运动；其中，该第一预设时间范围小于该第二预设时间范围。

需要说明的是，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。

另外，结合上述实施例中的外骨骼机器人的控制方法，本申请实施例可提供一种存储介质来实现。该存储介质上存储有计算机程序；该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种外骨骼机器人的控制方法。

本领域的技术人员应该明白，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种外骨骼机器人，其特征在于，所述外骨骼机器人的工作模式包括固定步态模式和步态趋近模式；所述外骨骼机器人包括下肢组件和控制装置；所述下肢组件上安装有力传感器；所述控制装置包括：标准步态模块、时间模块、第一控制模块和第二控制模块；

所述标准步态模块，用于获取所述固定步态模式下的标准步态曲线；

所述时间模块，用于在所述步态趋近模式下，通过所述力传感器获取用户的发力方向，并根据所述发力方向以及所述标准步态曲线，获取所述用户的运动间隔时间；

所述第一控制模块，用于若所述运动间隔时间小于第一预设时间，控制所述外骨骼机器人保持所述步态趋近模式进行运动；

所述第二控制模块，用于若所述运动间隔时间大于或等于所述第一预设时间，将所述步态趋近模式切换至所述固定步态模式，控制所述外骨骼机器人保持所述固定步态模式进行运动。

2.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述时间模块还用于在所述标准步态曲线的理想方向与所述发力方向之间的夹角小于预设夹角，且所述发力方向上的合力大于预设阈值的情况下，根据所述合力，以及根据所述标准步态曲线上与所述合力相对应的理想力值，获取所述运动间隔时间。

3.根据权利要求2所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述第二控制模块还用于获取所述夹角大于或等于预设夹角的累计时间；

所述第二控制模块用于若所述运动间隔时间大于或等于所述第一预设时间，且所述累计时间大于或等于第二预设时间，将所述步态趋近模式切换至所述固定步态模式。

4.根据权利要求3所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述第一预设时间等于所述第二预设时间。

5.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述工作模式还包括阻抗模式，所述控制装置还包括第三控制模块；

所述第三控制模块，用于若所述运动间隔时间大于或等于所述第一预设时间，将所述步态趋近模式切换至所述阻抗模式，并控制所述外骨骼机器人保持所述阻抗模式进行运动。

6.根据权利要求5所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述工作模式还包括力反馈模式；在所述力反馈模式下，所述控制装置还包括第四控制模块；

所述第四控制模块，用于获取所述力传感器的传感参数；

所述第四控制模块根据所述传感参数控制电机，进而通过所述电机控制所述外骨骼机器人保持所述力反馈模式进行运动；

所述第四控制模块在通过编码器和姿态传感器计算检测到所述外骨骼机器人摆动相步态完成的情况下，将所述力反馈模式切换至所述阻抗模式，并控制所述外骨骼机器人保持所述阻抗模式进行支撑性步态运动。

7.根据权利要求6所述的外骨骼机器人，其特征在于，将所述阻抗模式替换为导纳模式。

8.根据权利要求5所述的外骨骼机器人，其特征在于，在所述阻抗模式下，所述第三控制模块还用于根据所述标准步态曲线的期望位置，以及获取到的所述力传感器的传感参数，利用离散差分计算得到修正误差；

所述第三控制模块根据所述修正误差，以及所述修正误差的多阶导数，获取所述阻抗模式的实际输出值；

所述第三控制模块根据所述修正误差获取所述实际输出值的修正结果，并根据所述修正结果控制所述外骨骼机器人运动。

9.根据权利要求1所述的外骨骼机器人，其特征在于，在所述固定步态模式下，所述第二控制模块还用于通过步态参数获取所述外骨骼机器人的踝关节轨迹和髋关节轨迹；

所述第二控制模块利用时间插值算法，根据所述踝关节轨迹和所述髋关节轨迹获取所述标准步态曲线；

所述第二控制模块根据所述标准步态曲线获取所述外骨骼机器人的各下肢部件的指定位姿；

所述第二控制模块根据所述指定位姿，反解得到所述外骨骼机器人的关节角度；其中，所述关节角度和所述下肢部件相匹配；

所述第二控制模块根据所述关节角度，控制所述外骨骼机器人运动，进而完成被动训练。

10.根据权利要求1至9任一项所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述控制装置还包括提醒模块；

所述提醒模块，用于实时获取所述用户的实际步幅；

所述提醒模块根据所述实际步幅，以及所述标准步态曲线中的标准步幅，获取步幅误差；

所述提醒模块在所述步幅误差大于预设尺寸值的情况下，通过提醒装置进行提醒操作；和/或，将所述步幅误差发送至服务器进行同步存储。

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