CN113143697B - 一种髋关节外骨骼的控制方法及装置 - Google Patents

一种髋关节外骨骼的控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种髋关节外骨骼的控制方法，包括：获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹；依据左侧当前转动角度轨迹、左侧当前转动角速度轨迹、右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹确定穿戴者的状态切换趋势；其中，状态切换趋势包括迈步和起立；依据状态切换趋势分别确定对应于左侧髋关节外骨骼和右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹，并依据助力力矩轨迹驱动左侧髋关节外骨骼和右侧髋关节外骨骼辅助穿戴者进行相应的状态切换。本申请可以准确识别多种不同的下肢运动任务并提供对应的下肢助力，适用于不同场景下的使用。

Description

一种髋关节外骨骼的控制方法及装置
技术领域
本申请涉及外骨骼技术领域，特别是一种髋关节外骨骼的控制方法及装置。
背景技术
老年人随着年龄增大，身体机能衰退，存在下肢肌力不足而导致的步速慢、步幅小和难以长时间行走等问题；脑卒中等疾病的患者容易出现肌肉萎缩、步态紊乱等下肢运动障碍等问题，需要进行大量的康复训练以恢复和维持肢体的基本功能，而他们在医院完成阶段性康复训练后，还需要在日常生活继续保持居家的下肢训练才能更好地恢复下肢运动能力。
老年人辅助护理方面，传统的人工护理服务容易造成老年人的依赖性，且存在人力资源不足的问题；医疗康复方面，传统的人工康复手段存在人员消耗大、训练时间短、可重复性差、康复周期长、康复效果有限和专业康复医师资源紧缺等问题。近年来，外骨骼机器人技术的快速发展，结合康复治疗和人体生物力学等理论，逐渐引入人体辅助和康复医疗领域。髋关节外骨骼因其轻量化、成本低、使用方便等优点，在日常辅助和训练的场景相对于多关节外骨骼机器人更具优势。
但是，目前国内的外骨骼产品产业化推进较慢，髋关节助力外骨骼机器人产品更是少之又少，而且大部分髋关节外骨骼产品的控制策略无法满足多种下肢活动任务，存在一定的局限性；此外，现有髋关节外骨骼产品的外形无法调节，助力体验较为生硬。
发明内容
鉴于所述问题，提出了本申请以便提供克服所述问题或者至少部分地解决所述问题的一种髋关节外骨骼的控制方法及装置，包括：
一种髋关节外骨骼的控制方法，包括：
获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹，并依据所述左侧当前转动角度轨迹、所述左侧当前转动角速度轨迹、所述右侧当前转动角度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定所述穿戴者的状态切换趋势；其中，所述状态切换趋势包括迈步和起立；
依据所述状态切换趋势分别确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹，并依据所述助力力矩轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行相应的状态切换。
优选地，所述依据所述左侧当前转动角度轨迹、所述左侧当前转动角速度轨迹、所述右侧当前转动角度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定所述穿戴者的状态切换趋势的步骤包括：
若所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹中存在与预设的标准角速度曲线相似度大于第一预设值的当前区段，则判定所述状态切换趋势为所述迈步；其中，所述标准角速度曲线为一个标准步态周期内所述穿戴者髋关节的转动角速度曲线；
或；
若所述左侧当前转动角度轨迹中包含的所述左侧当前前屈角度与所述右侧当前转动角度轨迹中包含的所述右侧当前前屈角度的差值小于或等于所述第二预设值，并且所述左侧当前转动角速度轨迹中包含的左侧当前后伸角速度和所述右侧当前转动角速度轨迹中包含的右侧后伸角速度均大于第四预设值，则判定所述状态切换趋势为所述起立。
优选地，所述依据所述状态切换趋势分别确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹，并依据所述助力力矩轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行相应的状态切换的步骤包括：
若所述状态切换趋势为所述迈步，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹确定左侧迈步助力轨迹和右侧迈步助力轨迹；其中，所述左侧迈步助力轨迹为包括左侧助力起始时间的力矩轨迹；所述右侧迈步助力轨迹为包括右侧助力起始时间的力矩轨迹；
依据所述左侧迈步助力轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者左侧下肢行走，以及依据所述右侧迈步助力轨迹驱动所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者右侧下肢行走；
或；
若所述状态切换趋势为所述起立，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹和/或所述右侧当前转动角速度轨迹确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的起立助力轨迹；其中，所述起立助力轨迹为包括起立助力起始时间和起立助力终止时间的力矩轨迹；
依据所述起立助力轨迹同时驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者切换至站立状态。
优选地，所述若所述状态切换趋势为所述迈步，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹确定左侧迈步助力轨迹和右侧迈步助力轨迹的步骤包括：
若所述状态切换趋势为所述迈步，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹和预设的自适应振荡器模型确定对应于所述穿戴者的当前步态周期；
依据所述当前步态周期和预设的标准迈步力矩曲线，确定所述左侧迈步助力轨迹和所述右侧迈步助力轨迹；其中，所述标准迈步力矩曲线为所述髋关节外骨骼辅助所述穿戴者完成一次标准迈步动作的力矩曲线；所述左侧迈步助力轨迹中包含的所述左侧助力起始时间与所述右侧迈步助力轨迹的包含的所述右侧助力起始时间相隔半个所述当前步态周期。
优选地，所述若所述状态切换趋势为所述起立，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹和/或所述右侧当前转动角速度轨迹确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的起立助力轨迹的步骤包括：
若所述状态切换趋势为所述起立，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹和/或所述右侧当前转动角速度轨迹确定对应于所述穿戴者的当前起立周期；
依据所述当前起立周期和预设的标准起立力矩曲线确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的所述起立助力轨迹；其中，所述标准起立力矩曲线为所述髋关节外骨骼辅助所述穿戴者完成一次标准起立动作的力矩曲线。
优选地，所述获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹的步骤之后还包括：
若预设时段内的所述左侧当前转动角度轨迹中包含的所述左侧当前前屈角度与所述左侧当前转动角度轨迹中包含的所述右侧当前前屈角度的差值均小于或等于所述第二预设值，并且所述预设时段内的所述左侧当前前屈角度和所述右侧当前前屈角度均均小于所述第三预设值，则判定所述状态切换趋势为止步；
将对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的止步助力轨迹设置为零，并依据所述止步助力轨迹同时驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者站立；
或；
若所述左侧当前转动角度轨迹中包含的左侧当前前屈角度与所述右侧当前转动角度轨迹中包含的右侧当前前屈角度的差值小于或等于第二预设值，并且所述左侧当前前屈角度和所述右侧当前前屈角度均大于第三预设值；则判定所述状态切换趋势为坐/蹲；
将对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的坐/蹲助力轨迹设置为零，并依据所述坐/蹲助力轨迹同时驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者切换至坐/蹲状态。
一种髋关节外骨骼的控制装置，包括：
角度获取模块，用于获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹；
趋势确定模块，用于依据所述左侧当前转动角度轨迹、所述左侧当前转动角速度轨迹、所述右侧当前转动角度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定所述穿戴者的状态切换趋势；其中，所述状态切换趋势包括迈步和起立；
力矩确定模块，用于依据所述状态切换趋势分别确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹；
力矩控制模块，用于依据所述助力力矩轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行相应的状态切换。
一种计算机设备，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的一种髋关节外骨骼的控制方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的一种髋关节外骨骼的控制方法的步骤。
一种应用于上述所述的髋关节外骨骼的控制方法的髋关节外骨骼，包括：驱动结构和用于控制所述驱动结构转动的腰部结构；所述腰部结构包括背板组件和用于调节所述腰部结构左右宽度的调节组件；所述驱动结构通过所述调节组件连接于所述背板组件两侧；
所述调节组件包括调节主体和用于调节所述腰部组件左右宽度的第一链接件；所述第一链接件的一端与所述背板组件通过第一螺栓组件连接，另一端通过所述调节主体与所述驱动结构的端部连接；其中，所述第一螺栓组件用于调节所述第一链接件与所述背板组件的相对位置；
所述驱动结构上设有电机组件；所述背板组件上设有用于控制所述电机组件转动的控制部；所述电机组件与所述控制部电连接；
当所述穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述腰部结构固定于所述穿戴者的腰部位置；所述驱动结构固定于所述穿戴者的下肢位置，其中，所述电机组件的位置对应于所述穿戴者髋关节的位置；
当所述髋关节外骨骼对所述穿戴者实施助力时，所述控制部驱动所述电机组件转动，带动装配有所述驱动组件的所述穿戴者的下肢转动，从而为所述穿戴者的髋关节提供助力。
优选地，所述调节主体包括第二链接件和用于调节所述腰部组件前后宽度的第三链接件；
所述第二链接件的一端与所述第一链接件远离所述背板组件的端部连接，另一端与所述第三链接件的一端通过第二螺栓组件连接；其中，所述第二螺栓组件用于调节所述第二链接件与所述第三链接件的相对位置；所述第三链接件的另一端与所述驱动结构的端部连接。
优选地，所述第一螺栓组件包括对应设置于所述第一链接件和所述背板组件上的两个或以上第一螺孔，以及穿设于所述第一螺孔内的第一螺栓；
所述第二螺栓组件包括对应设置于所述第二链接件和所述第三链接件上的两个或以上第二螺孔，以及穿设于所述第二螺孔内的第二螺栓。
优选地，所述第一链接件与所述第二链接件的连接处设有用于提供髋关节外旋内旋的被动自由度的第一铰链；所述第三链接件与所述驱动结构的连接处设有用于提供髋关节外展内收的被动自由度的第二铰链。
优选地，所述背板组件包括背板和控制部；所述控制部固定于所述背板外侧。
优选地，所述驱动结构包括大腿组件和设置于所述大腿组件端部的所述电机组件；所述电机组件通过所述调节组件与所述背板组件连接。
优选地，所述大腿组件包括大腿摆杆和设置于所述大腿摆杆上的大腿挡板；所述大腿摆杆与所述电机组件的输出端连接。
优选地，还包括腰部绑带和大腿绑带；所述腰部绑带与所述腰部结构端部连接；所述大腿绑带与所述驱动结构端部连接。
优选地，所述腰部绑带的端部分别穿设于所述背板组件的腰带通孔内；当所述穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述腰部结构通过所述腰部绑带与所述穿戴者的腰部紧密连接。
优选地，所述腿部绑带的端部分别穿设于所述驱动组件的腿带通孔内，当所述穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述驱动组件通过所述腿部绑带与所述穿戴者的大腿紧密连接。
本申请具有以下优点：
在本申请的实施例中，通过获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹，并依据所述左侧当前转动角度轨迹、所述左侧当前转动角速度轨迹、所述右侧当前转动角度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定所述穿戴者的状态切换趋势；其中，所述状态切换趋势包括迈步和起立；依据所述状态切换趋势分别确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹，并依据所述助力力矩轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行相应的状态切换，可以准确识别多种不同的下肢运动任务并提供对应的下肢助力，适用于不同场景下的使用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例提供的一种髋关节外骨骼的控制方法的步骤流程图；
图2是本申请一实施例提供的一种髋关节外骨骼的控制方法中自适应振荡器模型的测试结果示意图；
图3是本申请一实施例提供的一种髋关节外骨骼的控制装置的结构框图；
图4是本申请一实施例提供的一种计算机设备的结构示意图；
图5是本申请一实施例提供的一种髋关节外骨骼的结构示意图；
图6是本申请一实施例提供的一种髋关节外骨骼的正面结构示意图；
图7是本申请一实施例提供的一种髋关节外骨骼的背面结构示意图；
图8是本申请一实施例提供的一种髋关节外骨骼的侧面结构示意图；
图9是本申请一实施例提供的一种髋关节外骨骼的控制策略框图。
说明书附图中的附图标记如下：
12、计算机设备；14、外部设备；16、处理单元；18、总线；20、网络适配器；22、输入/输出界面；24、显示器；28、内存；30、随机存取存储器；32、高速缓存存储器；34、存储系统；40、程序/实用工具；42、程序模块；310、角度获取模块；320、趋势确定模块；330、力矩确定模块；340、力矩控制模块；511、背板；512、控制部；521、第一链接件；522、第二链接件；523、第三链接件；524、第一铰链；525、第二铰链；531、电机组件；532、大腿摆杆；533、大腿挡板。
具体实施方式
为使本申请的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
参照图1，示出了本申请一实施例提供的一种髋关节外骨骼的控制方法，具体包括：
S110、获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹；
S120、依据所述左侧当前转动角度轨迹、所述左侧当前转动角速度轨迹、所述右侧当前转动角度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定所述穿戴者的状态切换趋势；其中，所述状态切换趋势包括迈步和起立；
S130、依据所述状态切换趋势分别确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹；
S140、依据所述助力力矩轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行相应的状态切换。
在本申请的实施例中，通过获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹，并依据所述左侧当前转动角度轨迹、所述左侧当前转动角速度轨迹、所述右侧当前转动角度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定所述穿戴者的状态切换趋势；其中，所述状态切换趋势包括迈步和起立；依据所述状态切换趋势分别确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹，并依据所述助力力矩轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行相应的状态切换，可以准确识别多种不同的下肢运动任务并提供对应的下肢助力，适用于不同场景下的使用。
下面，将对本示例性实施例中一种髋关节外骨骼的控制方法作进一步地说明。
如所述步骤S110所述，获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹。
具体地，所述左侧当前转动角度轨迹为所述左侧髋关节外骨骼的转动角度随时间的变化轨迹，其变化起始点可以是早于当前时间预设值的时间点，变化终止点为当前时间；所述左侧当前转动角速度轨迹为所述左侧髋关节外骨骼的转动角速度随时间的变化轨迹，其变化起始点可以是早于当前时间预设值的时间点，变化终止点为当前时间；所述右侧当前转动角度轨迹为所述右侧髋关节外骨骼的转动角度随时间的变化轨迹，其变化起始点可以是早于当前时间预设值的时间点，变化终止点为当前时间；所述右侧当前转动角速度轨迹为所述右侧髋关节外骨骼的转动角速度随时间的变化轨迹，其变化起始点可以是早于当前时间预设值的时间点，变化终止点为当前时间。
如所述步骤S120所述，依据所述左侧当前转动角度轨迹、所述左侧当前转动角速度轨迹、所述右侧当前转动角度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定所述穿戴者的状态切换趋势；其中，所述状态切换趋势包括迈步和起立。
具体地，所述状态切换趋势为穿戴者在进行所述状态切换的初始时段产生的切换趋势，其中，所述状态切换为由一种躯干状态切换至另一种躯干状态的完整切换过程，所述状态切换涉及髋关节运动；所述状态切换可以包含切换起始点和切换终止点（例如由坐/蹲状态切换至站立状态），也可以只包含切换起始点，不包含切换终止点（例如由站立状态切换至行走状态）。
如所述步骤S130所述，依据所述状态切换趋势分别确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹。
具体地，若所述状态切换包含切换起始点和切换终止点，则与其对应的所述助力力矩轨迹（例如起立助力轨迹）包含助力起始点和助力终止点；若所述状态切换只包含切切换起始点，不包含切换终止点，则与其对应的所述助力力矩轨迹（例如迈步助力轨迹）只包含助力起始点，不包含助力终止点。
如所述步骤S140所述，依据所述助力力矩轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行相应的状态切换。
具体地，依据所述助力力矩轨迹调整所述髋关节外骨骼的电机的输出功率，以控制所述髋关节外骨骼依据所述助力力矩轨对所述穿戴者的下肢进行助力。
需要说明的是，本申请的方法通过实时获取所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的运动数据，可以实时确定所述穿戴者的所述状态切换趋势，当检测到符合预设判定结果的所述状态切换趋势时，即按照预设规则生成对应于所述状态切换中未来时段的所述助力力矩轨迹，并驱动所述髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行所述状态切换，如果在驱动过程中检测到不同于当前的所述状态切换趋势的新的所述状态切换趋势，则重复执行所述步骤130。
在本申请一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S120所述“依据所述左侧当前转动角度轨迹、所述左侧当前转动角速度轨迹、所述右侧当前转动角度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定所述穿戴者的状态切换趋势”的具体过程。
如下列步骤所述，若所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹中存在与预设的标准角速度曲线相似度大于第一预设值的当前区段，则判定所述状态切换趋势为所述迈步；其中，所述标准角速度曲线为一个标准步态周期内所述穿戴者髋关节的转动角速度曲线。
作为一种示例，若所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹中存在同时满足：1、与所述标准角速度曲线相似度大于所述第一预设值；2、变化终止点为当前时间的所述当前区段，则判定所述状态切换趋势为所述迈步；其中，曲线相似度的计算方法可以采用基于点的比较方法（例如最长公共子序列算法、动态时间归整算法等）、基于形状的比较方法（例如弗雷歇距离算法、豪斯多夫距离算法等）、基于分段的比较方法（例如单向距离算法、多线位置距离算法）或基于特定任务的比较方法（例如轨迹聚类算法、道路网算法等），此处不再赘述；
需要说明的是，当所述穿戴者开始行走时，其任意侧下肢首先完成一次完整的迈步周期，则对应于该侧的所述髋关节外骨骼的当前转动角速度轨迹中会出现与所述标准角速度曲线相似度大于所述第一预设值的区段，因此，采用本实施例的方法可以有效检测到所述穿戴者的迈步趋势，实现准确的下肢运动意图识别。
或；
如下列步骤所述，若所述左侧当前转动角度轨迹中包含的所述左侧当前前屈角度与所述右侧当前转动角度轨迹中包含的所述右侧当前前屈角度的差值小于或等于所述第二预设值，并且所述左侧当前转动角速度轨迹中包含的左侧当前后伸角速度和所述右侧当前转动角速度轨迹中包含的右侧后伸角速度均大于第四预设值，则判定所述状态切换趋势为所述起立。
需要说明的是，当所述穿戴者的左侧下肢和右侧下肢处于同步后伸的运动状态时，所述左侧当前前屈角度与所述右侧当前前屈角度的差值小于或等于所述第二预设值，并且所述左侧当前后伸角速度和所述右侧后伸角速度均大于第四预设值；因此，采用本实施例的方法可以有效检测到所述穿戴者的起立趋势，实现准确的下肢运动意图识别。
在本申请一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S130所述“依据所述状态切换趋势分别确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹，并依据所述助力力矩轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行相应的状态切换”的具体过程。
如下列步骤所述，若所述状态切换趋势为所述迈步，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹确定左侧迈步助力轨迹和右侧迈步助力轨迹；其中，所述左侧迈步助力轨迹为包括左侧助力起始时间的力矩轨迹；所述右侧迈步助力轨迹为包括右侧助力起始时间的力矩轨迹；依据所述左侧迈步助力轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者左侧下肢行走，以及依据所述右侧迈步助力轨迹驱动所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者右侧下肢行走。
作为一种示例，依据所述左侧当前转动角速度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定迈步侧当前转动角速度轨迹，其中，所述迈步侧当前转动角速度轨迹中存在与所述标准角速度曲线相似度大于所述第一预设值的所述当前区段；具体地，若所述左侧当前转动角速度轨迹中存在所述当前区段，则将所述左侧当前转动角速度轨迹设定为所述迈步侧当前转动角速度轨迹，反之将所述右侧当前转动角速度轨迹设定为所述迈步侧当前转动角速度轨迹；依据所述迈步侧当前转动角速度轨迹确定左侧迈步助力轨迹和右侧迈步助力轨迹；其中，所述左侧迈步助力轨迹和所述右侧迈步助力轨迹均为只包含助力起始点，不包含助力终止点的力矩轨迹。
需要说明的是，当所述穿戴者开始行走时，其任意侧下肢首先完成一次完整的迈步周期，则对应于该侧的所述髋关节外骨骼的当前转动角速度轨迹中会出现与所述穿戴者当前迈步周期相对应的区段，选取该侧当前转动角速度轨迹作为所述助力力矩轨迹的确定条件，可以有效地提取所述穿戴者的运动特征；由于在正常的行走过程中，左右两侧下肢的站立相和迈步相时间相等，即步态具有对称性，因此提取所述穿戴者单侧的运动特征后即可计算得到用于助力所述穿戴者双侧行走的迈步助力轨迹。
或；
如下列步骤所述，若所述状态切换趋势为所述起立，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹和/或所述右侧当前转动角速度轨迹确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的起立助力轨迹；其中，所述起立助力轨迹为包括起立助力起始时间和起立助力终止时间的力矩轨迹；依据所述起立助力轨迹同时驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者切换至站立状态。
需要说明的是，当所述穿戴者起立时，其左右两侧的下肢处于同步运动状态，因此可以选取任意侧的当前转动角速度轨迹进行所述穿戴者运动特征的提取；由于在正常的起立过程中，左右两侧下肢始终处于同步运动状态，因此提取所述穿戴者的运动特征后即可计算得到用于助力所述穿戴者双侧切换至站立状态的起立助力轨迹。
在本申请一实施例中，可以结合下列描述进一步说明所述“若所述状态切换趋势为所述迈步，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹确定左侧迈步助力轨迹和右侧迈步助力轨迹”的具体过程。
如下列步骤所述，若所述状态切换趋势为所述迈步，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹和预设的自适应振荡器模型确定对应于所述穿戴者的当前步态周期；
具体地，所述自适应振荡器模型可以依据所述迈步侧当前转动角速度轨迹中包含的有效区段确定所述穿戴者的所述当前步态周期；其中，所述有效区段为与所述标准角速度曲线相似度大于所述第一预设值的区段；所述自适应振荡器模型的自适应机制可以使所述有效区段的频率收敛至任何周期性输入信号的频率，其对应的方程为：
Figure 869930DEST_PATH_IMAGE001
（1）
（1）中：x和y为状态变量；μ为极限环固有半径，即振荡器幅值；ω为频率，不受干扰时与振荡器具有单调关系；K为耦合强度，耦合强度越高，收敛越快；F（t）为周期性扰动，即需要同步的输入信号；通过输入角速度信号到所述自适应振荡器模型中运算，可以获得所述穿戴者髋关节运动的相位变化ø=arctan（y/x），从而识别出所述穿戴者当前行走过程中的步态周期，图2为本申请一具体实现中所述自适应振荡器模型的测试结果，图中，A为相位变化曲线，B为频率变化曲线，C为所述左侧髋关节角速度变化曲线，D为同步曲线。
依据所述当前步态周期和预设的标准迈步力矩曲线，确定所述左侧迈步助力轨迹和所述右侧迈步助力轨迹；其中，所述标准迈步力矩曲线为所述髋关节外骨骼辅助所述穿戴者完成一次标准迈步动作的力矩曲线；所述左侧迈步助力轨迹中包含的所述左侧助力起始时间与所述右侧迈步助力轨迹的包含的所述右侧助力起始时间相隔半个所述当前步态周期。
需要说明的是，本实施例的方法能够依据人体生物力学在步态周期内的力矩变化，对应所述当前步态周期生成所述穿戴者所需的辅助力矩，实现在所述穿戴者行走过程中提供舒适精准的助力。
在本申请一实施例中，可以结合下列描述进一步说明所述“若所述状态切换趋势为所述起立，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹和/或所述右侧当前转动角速度轨迹确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的起立助力轨迹”的具体过程。
如下列步骤所述，若所述状态切换趋势为所述起立，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹和/或所述右侧当前转动角速度轨迹确定对应于所述穿戴者的当前起立周期；依据所述当前起立周期和预设的标准起立力矩曲线确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的所述起立助力轨迹；其中，所述标准起立力矩曲线为所述髋关节外骨骼辅助所述穿戴者完成一次标准起立动作的力矩曲线。
具体地，所述当前起立周期与所述左侧当前转动角速度轨迹和/或所述右侧当前转动角速度轨迹中包含的当前转动角速度成反比；所述起立力矩轨迹中包含的所述起立助力终止时间与所述当前起立周期的终止时间相对应。
需要说明的是，本实施例的方法通过输出同向扭矩，能够辅助所述穿戴者髋关节进行后伸，帮助所述穿戴者进入站立状态。
在本申请一实施例中，所述“获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹”之后还包括如下过程。
如下列步骤所述，若预设时段内的所述左侧当前转动角度轨迹中包含的所述左侧当前前屈角度与所述左侧当前转动角度轨迹中包含的所述右侧当前前屈角度的差值均小于或等于所述第二预设值，并且所述预设时段内的所述左侧当前前屈角度和所述右侧当前前屈角度均均小于所述第三预设值，则判定所述状态切换趋势为止步；具体地，所述预设时段可以是1s；
需要说明的是，当所述穿戴者的左侧下肢和右侧下肢在所述预设时段内均保持静止站立状态时，所述左侧当前前屈角度与所述右侧当前前屈角度的差值在所述预设时段内均小于或等于所述第二预设值，并且所述左侧当前前屈角度和所述右侧当前前屈角度在所述预设时段内均小于所述第三预设值；因此，通过本实施例的方法可以有效检测到所述穿戴者的止步趋势，实现准确的下肢运动意图识别。
将对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的止步助力轨迹设置为零，并依据所述止步助力轨迹同时驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者站立。
需要说明的是，由于所述穿戴者停止迈步，因此将所述止步助力轨迹设置为零，使所述髋关节外骨骼停止提供助力。
或；
如下列步骤所述，若所述左侧当前转动角度轨迹中包含的左侧当前前屈角度与所述右侧当前转动角度轨迹中包含的右侧当前前屈角度的差值小于或等于第二预设值，并且所述左侧当前前屈角度和所述右侧当前前屈角度均大于第三预设值；则判定所述状态切换趋势为坐/蹲；
需要说明的是，当所述穿戴者的左侧下肢和右侧下肢均处于同步前屈状态时，所述左侧当前前屈角度与所述右侧当前前屈角度的差值小于或等于第二预设值，并且所述左侧当前前屈角度和所述右侧当前前屈角度均大于第三预设值；因此，通过本实施例的方法可以有效检测到所述穿戴者的坐/蹲趋势，实现准确的下肢运动意图识别。
将对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的坐/蹲助力轨迹设置为零，并依据所述坐/蹲助力轨迹同时驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者切换至坐/蹲状态。
需要说明的是，由于所述穿戴者在坐/蹲过程中无需助力，因此将所述坐/蹲助力轨迹设置为零，使所述髋关节外骨骼不提供助力。
对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
参照图3，示出了本申请一实施例提供的一种髋关节外骨骼的控制装置，具体包括：
角度获取模块310，用于获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹；
趋势确定模块320，用于依据所述左侧当前转动角度轨迹、所述左侧当前转动角速度轨迹、所述右侧当前转动角度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定所述穿戴者的状态切换趋势；其中，所述状态切换趋势包括迈步和起立；
力矩确定模块330，用于依据所述状态切换趋势分别确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹；
力矩控制模块340，用于依据所述助力力矩轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行相应的状态切换。
在本申请一实施例中，所述趋势确定模块320，包括：
迈步确定子模块，用于若所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹中存在与预设的标准角速度曲线相似度大于第一预设值的当前区段，则判定所述状态切换趋势为所述迈步；其中，所述标准角速度曲线为一个标准步态周期内所述穿戴者髋关节的转动角速度曲线；
起立确定子模块，用于若所述左侧当前转动角度轨迹中包含的所述左侧当前前屈角度与所述右侧当前转动角度轨迹中包含的所述右侧当前前屈角度的差值小于或等于所述第二预设值，并且所述左侧当前转动角速度轨迹中包含的左侧当前后伸角速度和所述右侧当前转动角速度轨迹中包含的右侧后伸角速度均大于第四预设值，则判定所述状态切换趋势为所述起立；
止步确定子模块，用于若预设时段内的所述左侧当前转动角度轨迹中包含的所述左侧当前前屈角度与所述左侧当前转动角度轨迹中包含的所述右侧当前前屈角度的差值均小于或等于所述第二预设值，并且所述预设时段内的所述左侧当前前屈角度和所述右侧当前前屈角度均均小于所述第三预设值，则判定所述状态切换趋势为止步；
坐/蹲确定子模块，用于若所述左侧当前转动角度轨迹中包含的左侧当前前屈角度与所述右侧当前转动角度轨迹中包含的右侧当前前屈角度的差值小于或等于第二预设值，并且所述左侧当前前屈角度和所述右侧当前前屈角度均大于第三预设值；则判定所述状态切换趋势为坐/蹲。
在本申请一实施例中，所述力矩确定模块330，包括：
迈步力矩确定子模块，用于若所述状态切换趋势为所述迈步，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹确定左侧迈步助力轨迹和右侧迈步助力轨迹；其中，所述左侧迈步助力轨迹为包括左侧助力起始时间的力矩轨迹；所述右侧迈步助力轨迹为包括右侧助力起始时间的力矩轨迹；
起立力矩确定子模块，用于若所述状态切换趋势为所述起立，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹和/或所述右侧当前转动角速度轨迹确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的起立助力轨迹；其中，所述起立助力轨迹为包括起立助力起始时间和起立助力终止时间的力矩轨迹；
止步力矩确定子模块，用于若所述状态切换趋势为所述止步，则将对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的止步助力轨迹设置为零；
坐/蹲力矩确定子模块，用于若所述状态切换趋势为所述坐/蹲，则将对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的坐/蹲助力轨迹设置为零。
在本申请一实施例中，所述力矩控制模块340，包括：
迈步力矩控制子模块，用于依据所述左侧迈步助力轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者左侧下肢行走，以及依据所述右侧迈步助力轨迹驱动所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者右侧下肢行走；
起立力矩控制子模块，用于依据所述起立助力轨迹同时驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者切换至站立状态；
止步力矩控制子模块，用于依据所述止步助力轨迹同时驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者站立；
坐/蹲力矩控制子模块，用于依据所述坐/蹲助力轨迹同时驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者切换至坐/蹲状态。
在本申请一实施例中，所述迈步力矩确定子模块，包括：
步态周期确定子模块，用于若所述状态切换趋势为所述迈步，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹和预设的自适应振荡器模型确定对应于所述穿戴者的当前步态周期；
迈步力矩生成子模块，用于依据所述当前步态周期和预设的标准迈步力矩曲线，确定所述左侧迈步助力轨迹和所述右侧迈步助力轨迹；其中，所述标准迈步力矩曲线为所述髋关节外骨骼辅助所述穿戴者完成一次标准迈步动作的力矩曲线；所述左侧迈步助力轨迹中包含的所述左侧助力起始时间与所述右侧迈步助力轨迹的包含的所述右侧助力起始时间相隔半个所述当前步态周期。
在本申请一实施例中，所述起立力矩确定子模块，包括：
起立周期确定子模块，用于若所述状态切换趋势为所述起立，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹和/或所述右侧当前转动角速度轨迹确定对应于所述穿戴者的当前起立周期；
起立力矩生成子模块，用于依据所述当前起立周期和预设的标准起立力矩曲线确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的所述起立助力轨迹；其中，所述标准起立力矩曲线为所述髋关节外骨骼辅助所述穿戴者完成一次标准起立动作的力矩曲线。
参照图4，示出了本申请的一种髋关节外骨骼的控制方法的计算机设备，具体可以包括如下：
上述计算机设备12以通用计算设备的形式表现，计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件（包括系统存储器28和处理单元16）的总线18。
总线18表示几类总线18结构中的一种或多种，包括存储器总线18或者存储器控制器，外围总线18，图形加速端口，处理器或者使用多种总线18结构中的任意总线18结构的局域总线18。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构（ISA）总线18，微通道体系结构（MAC）总线18，增强型ISA总线18、音视频电子标准协会（VESA）局域总线18以及外围组件互连（PCI）总线18。
计算机设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器（RAM）30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其他移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机体统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质（通常称为“硬盘驱动器”）。尽管图4中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘（如“软盘”）读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘（例如CD-ROM，DVD-ROM或者其他光介质）读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质界面与总线18相连。存储器可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组（例如至少一个）程序模块42，这些程序模块42被配置以执行本申请各实施例的功能。
具有一组（至少一个）程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器中，这样的程序模块42包括——但不限于——操作系统、一个或者多个应用程序、其他程序模块42以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本申请所描述的实施例中的功能和/或方法。
计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14（例如键盘、指向设备、显示器24、摄像头等）通信，还可与一个或者多个使得操作人员能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其他计算设备进行通信的任何设备（例如网卡，调制解调器等等）通信。这种通信可以通过输入/输出（I/O）界面22进行。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络（例如局域网（LAN）），广域网（WAN）和/或公共网络（例如因特网）通信。如图所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其他模块通信。应当明白，尽管图4中未示出，可以结合计算机设备12使用其他硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元16、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统34等。
处理单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本申请实施例所提供的一种髋关节外骨骼的控制方法。
也即，上述处理单元16执行上述程序时实现：获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹，并依据所述左侧当前转动角度轨迹、所述左侧当前转动角速度轨迹、所述右侧当前转动角度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定所述穿戴者的状态切换趋势；其中，所述状态切换趋势包括迈步和起立；依据所述状态切换趋势分别确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹，并依据所述助力力矩轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行相应的状态切换。
参照图5-8，示出了本申请一实施例提供的一种应用于上述任一实施例所述的髋关节外骨骼的控制方法的髋关节外骨骼，具体包括：
驱动结构和用于控制所述驱动结构转动的腰部结构；所述腰部结构包括背板组件和用于调节所述腰部结构左右宽度的调节组件；所述驱动结构通过所述调节组件连接于所述背板组件两侧；
所述调节组件包括调节主体和用于调节所述腰部组件左右宽度的第一链接件521；所述第一链接件521的一端与所述背板组件通过第一螺栓组件连接，另一端通过所述调节主体与所述驱动结构的端部连接；其中，所述第一螺栓组件用于调节所述第一链接件521与所述背板组件的相对位置；
所述驱动结构上设有电机组件531；所述背板组件上设有用于控制所述电机组件531转动的控制部512；所述电机组件531与所述控制部512电连接；
当所述穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述腰部结构固定于所述穿戴者的腰部位置；所述驱动结构固定于所述穿戴者的下肢位置，其中，所述电机组件531的位置对应于所述穿戴者髋关节的位置；
当所述髋关节外骨骼对所述穿戴者实施助力时，所述控制部512驱动所述电机组件531转动，带动装配有所述驱动组件的所述穿戴者的下肢转动，从而为所述穿戴者的髋关节提供助力。
在本申请的实施例中，通过驱动结构和用于控制所述驱动结构转动的腰部结构；所述腰部结构包括背板组件和用于调节所述腰部结构左右宽度的调节组件；所述驱动结构通过所述调节组件连接于所述背板组件两侧；所述调节组件包括调节主体和用于调节所述腰部组件左右宽度的第一链接件521；所述第一链接件521的一端与所述背板组件通过第一螺栓组件连接，另一端通过所述调节主体与所述驱动结构的端部连接；其中，所述第一螺栓组件用于调节所述第一链接件521与所述背板组件的相对位置；所述驱动结构上设有电机组件531；所述背板组件上设有用于控制所述电机组件531转动的控制部512；所述电机组件531与所述控制部512电连接；当所述穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述腰部结构固定于所述穿戴者的腰部位置；所述驱动结构固定于所述穿戴者的下肢位置，其中，所述电机组件531的位置对应于所述穿戴者髋关节的位置；当所述髋关节外骨骼对所述穿戴者实施助力时，所述控制部512驱动所述电机组件531转动，带动装配有所述驱动组件的所述穿戴者的下肢转动，从而为所述穿戴者的髋关节提供助力，可以调节所述髋关节外骨骼的左右宽度，适用于各类体型的所述穿戴者。
下面，将对本示例性实施例中一种髋关节外骨骼作进一步地说明。
作为一种示例，当需要对所述髋关节外骨骼的左右宽度进行调节时时，首先取下所述第一螺栓组件，然后将所述第一链接件521移动到与所述穿戴者的体型相适配的宽度，最后装上所述第一螺栓组件使所述第一链接件521与所述背板511固定连接。
本实施例中，所述调节主体包括第二链接件522和用于调节所述腰部组件前后宽度的第三链接件523；
所述第二链接件522的一端与所述第一链接件521远离所述背板组件的端部连接，另一端与所述第三链接件523的一端通过第二螺栓组件连接；其中，所述第二螺栓组件用于调节所述第二链接件522与所述第三链接件523的相对位置；所述第三链接件523的另一端与所述驱动结构的端部连接。
需要说明的是，通过设置所述第三链接件523和所述第二螺栓组件，可以调节所述髋关节外骨骼的前后宽度以适应不同体型的所述穿戴者；
作为一种示例，当需要对所述髋关节外骨骼的前后宽度进行调节时时，首先取下所述第二螺栓组件，然后将所述第三链接件523移动到与所述穿戴者的体型相适配的宽度，最后装上所述第二螺栓组件使所述第三链接件523与所述第二链接件522固定连接。
本实施例中，所述第一螺栓组件包括对应设置于所述第一链接件521和所述背板组件上的两个或以上第一螺孔，以及穿设于所述第一螺孔内的第一螺栓；
所述第二螺栓组件包括对应设置于所述第二链接件522和所述第三链接件523上的两个或以上第二螺孔，以及穿设于所述第二螺孔内的第二螺栓。
具体地，所述背板组件的左右两端和每一侧的所述第一链接件521上均设有上下两排，每排六个所述第一螺孔，两每排所述第一螺孔之间平行排列；每个所述第一螺孔内均设有所述第一螺栓；
每一侧的所述第二链接件522和所述第三链接件523上均设有上下两排，每排六个所述第二螺孔，每排所述第二螺孔之间平行排列；每个所述第二螺孔内均设有所述第二螺栓；
通过设置所述第一螺栓组件和所述第二螺栓组件可以确保当所述穿戴者运动时，所述腰部组件与所述背板组件之间稳定连接。
本实施例中，所述第一链接件521与所述第二链接件522的连接处设有用于提供髋关节外旋内旋的被动自由度的第一铰链524；所述第三链接件523与所述驱动结构的连接处设有用于提供髋关节外展内收的被动自由度的第二铰链525。
具体地，所述第一铰链524设置在竖直方向上；通过设置所述第一铰链524，当所述穿戴者下肢外旋或内旋时，所述调节主体和所述驱动结构可以随所述穿戴者下肢运动；
所述第二铰链525设置在水平方向上；通过设置所述第二铰链525，当所述穿戴者下肢外展或内收时，所述驱动结构可以随所述穿戴者下肢运动。
本实施例中，所述背板组件包括背板511和控制部512；所述控制部512固定于所述背板511外侧。
具体地，所述控制部512包括电池、控制电路、电源开关、急停开关、喇叭、扩展端口和接线端口；通过将所述控制部512固定于所述背板511外侧，便于所述穿戴者进行穿戴。
本实施例中，所述驱动结构包括大腿组件和设置于所述大腿组件端部的所述电机组件531；所述电机组件531通过所述调节组件与所述背板组件连接。
具体地，所述电机组件531包括连接板和固定在所述连接板上的驱动部；所述连接板的端部通过所述第二铰链525与所述第三链接件523连接；所述驱动板包括电机、减速器和编码器；所述大腿组件与所述电机的输出端连接。
本实施例中，所述大腿组件包括大腿摆杆532和设置于所述大腿摆杆532上的大腿挡板533；所述大腿摆杆532与所述电机组件531的输出端连接。
具体地，所述大腿摆杆532一端与所述电机的输出端连接，另一端通过直角杆与所述大腿挡板533连接；所述大腿挡板533采用弧面结构，外形与所述穿戴者大腿靠近膝关节的位置的外形相适配。
本实施例中，还包括腰部绑带和大腿绑带；所述腰部绑带与所述腰部结构端部连接；所述大腿绑带与所述驱动结构端部连接。
本实施例中，所述腰部绑带的端部分别穿设于所述背板组件的腰带通孔内；当所述穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述腰部结构通过所述腰部绑带与所述穿戴者的腰部紧密连接。具体地，所述背板511的两端均设有所述腰带通孔；所述腰部绑带相对设有两条；两条所述腰部绑带的端部分别穿过所述腰带通孔与所述背板511的端部绑定；当所述穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，两条所述腰部绑带远离所述背板511的端部通过长度调节扣固定连接。
本实施例中，所述腿部绑带的端部分别穿设于所述驱动组件的腿带通孔内，当所述穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述驱动组件通过所述腿部绑带与所述穿戴者的大腿紧密连接。具体地，所述大腿挡板533的两端均设有所述腿带通孔；所述腿部绑带相对设有两条；两条所述腿部绑带的端部分别穿过所述腿带通孔与所述大腿挡板533的端部绑定；当所述穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，两条所述腿部绑带远离所述大腿挡板533的端部通过长度调节扣固定连接。
参照图9，示出了本申请一种髋关节外骨骼的控制策略框图，本申请采用分层控制框架，将控制系统分为任务检测层、步态同步层和助力输出层三层控制，其中，任务检测层和步态同步层可以实现所述穿戴者下肢运动意图的识别，而助力输出层通过控制器控制所述电机，最终经减速器输出扭矩辅助所述穿戴者的大腿进行相应的下肢运动任务。
在所述髋关节外骨骼开机后进入任务检测层，起始状态为“站立”状态，关节电机处的传感器实时获取角速度和角度信息，通过“条件1”判断是否进入“坐/蹲”状态，通过“条件2”判断是否进入“开始行走”的下肢任务；在“坐/蹲”状态时通过“条件3”判断是否回到“站立”状态，在“开始行走”时通过“条件4”判断是否切换回“站立”状态；
步态同步层是当所述穿戴者开始步行一个步态周期，并由所述髋关节外骨骼识别满足“条件2”开始运行的，在步态同步层任意时刻满足“条件4”都会重新回到任务检测层的“站立”状态，等待下个下肢运动任务；
助力输出层通过阻抗控制器控制所述电机运行，经过减速器增大输出扭矩，辅助所述穿戴者下肢运动。当所述穿戴者在行走过程中，步态同步层同步所述穿戴者步态周期后，根据人体生物力学在步态周期内的力矩变化，对应当前步态周期输出相应所需的辅助力矩，实现所述穿戴者行走过程中的舒适精准的助力；当所述穿戴者在“坐/蹲”状态下满足“条件3”时，助力输出层输出同向扭矩，辅助所述穿戴者髋关节进行后伸，直到所述穿戴者进入“站立”状态，所述电机停止运行，等待进行其它下肢运动。
尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的一种髋关节外骨骼的控制方法及装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种髋关节外骨骼的控制方法，所述方法为非治疗目的的方法，其特征在于，包括：
获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹，并依据所述左侧当前转动角度轨迹、所述左侧当前转动角速度轨迹、所述右侧当前转动角度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定所述穿戴者的状态切换趋势；其中，所述状态切换趋势包括迈步和起立；具体地，若所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹中存在与预设的标准角速度曲线相似度大于第一预设值的当前区段，则判定所述状态切换趋势为所述迈步；其中，所述标准角速度曲线为一个标准步态周期内所述穿戴者髋关节的转动角速度曲线；
依据所述状态切换趋势分别确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹，并依据所述助力力矩轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行相应的状态切换；具体地，若所述状态切换趋势为所述迈步，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹和预设的自适应振荡器模型确定对应于所述穿戴者的当前步态周期；依据所述当前步态周期和预设的标准迈步力矩曲线，确定左侧迈步助力轨迹和右侧迈步助力轨迹；其中，所述标准迈步力矩曲线为所述髋关节外骨骼辅助所述穿戴者完成一次标准迈步动作的力矩曲线；所述左侧迈步助力轨迹为包括左侧助力起始时间的力矩轨迹；所述右侧迈步助力轨迹为包括右侧助力起始时间的力矩轨迹；所述左侧迈步助力轨迹中包含的所述左侧助力起始时间与所述右侧迈步助力轨迹的包含的所述右侧助力起始时间相隔半个所述当前步态周期；依据所述左侧迈步助力轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者左侧下肢行走，以及依据所述右侧迈步助力轨迹驱动所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者右侧下肢行走。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述左侧当前转动角度轨迹、所述左侧当前转动角速度轨迹、所述右侧当前转动角度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定所述穿戴者的状态切换趋势的步骤包括：
若所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹中存在与预设的标准角速度曲线相似度大于第一预设值的当前区段，则判定所述状态切换趋势为所述迈步；其中，所述标准角速度曲线为一个标准步态周期内所述穿戴者髋关节的转动角速度曲线；
或；
若所述左侧当前转动角度轨迹中包含的左侧当前前屈角度与所述右侧当前转动角度轨迹中包含的右侧当前前屈角度的差值小于或等于第二预设值，并且所述左侧当前转动角速度轨迹中包含的左侧当前后伸角速度和所述右侧当前转动角速度轨迹中包含的右侧后伸角速度均大于第四预设值，则判定所述状态切换趋势为所述起立。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述状态切换趋势分别确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹，并依据所述助力力矩轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行相应的状态切换的步骤包括：
若所述状态切换趋势为所述迈步，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹和预设的自适应振荡器模型确定对应于所述穿戴者的当前步态周期；依据所述当前步态周期和预设的标准迈步力矩曲线，确定左侧迈步助力轨迹和右侧迈步助力轨迹；其中，所述标准迈步力矩曲线为所述髋关节外骨骼辅助所述穿戴者完成一次标准迈步动作的力矩曲线；所述左侧迈步助力轨迹为包括左侧助力起始时间的力矩轨迹；所述右侧迈步助力轨迹为包括右侧助力起始时间的力矩轨迹；所述左侧迈步助力轨迹中包含的所述左侧助力起始时间与所述右侧迈步助力轨迹的包含的所述右侧助力起始时间相隔半个所述当前步态周期；
依据所述左侧迈步助力轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者左侧下肢行走，以及依据所述右侧迈步助力轨迹驱动所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者右侧下肢行走；
或；
若所述状态切换趋势为所述起立，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹和/或所述右侧当前转动角速度轨迹确定对应于所述穿戴者的当前起立周期；依据所述当前起立周期和预设的标准起立力矩曲线确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的起立助力轨迹；其中，所述标准起立力矩曲线为所述髋关节外骨骼辅助所述穿戴者完成一次标准起立动作的力矩曲线；所述起立助力轨迹为包括起立助力起始时间和起立助力终止时间的力矩轨迹；
依据所述起立助力轨迹同时驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者切换至站立状态。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹的步骤之后还包括：
若预设时段内的所述左侧当前转动角度轨迹中包含的左侧当前前屈角度与所述左侧当前转动角度轨迹中包含的右侧当前前屈角度的差值均小于或等于第二预设值，并且所述预设时段内的所述左侧当前前屈角度和所述右侧当前前屈角度均均小于第三预设值，则判定所述状态切换趋势为止步；
将对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的止步助力轨迹设置为零，并依据所述止步助力轨迹同时驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者站立；
或；
若所述左侧当前转动角度轨迹中包含的左侧当前前屈角度与所述右侧当前转动角度轨迹中包含的右侧当前前屈角度的差值小于或等于第二预设值，并且所述左侧当前前屈角度和所述右侧当前前屈角度均大于第三预设值；则判定所述状态切换趋势为坐/蹲；
将对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的坐/蹲助力轨迹设置为零，并依据所述坐/蹲助力轨迹同时驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者切换至坐/蹲状态。
5.一种髋关节外骨骼的控制装置，其特征在于，包括：
角度获取模块，用于获取穿戴者穿戴的左侧髋关节外骨骼的左侧当前转动角度轨迹和左侧当前转动角速度轨迹，以及右侧髋关节外骨骼的右侧当前转动角度轨迹和右侧当前转动角速度轨迹；
趋势确定模块，用于依据所述左侧当前转动角度轨迹、所述左侧当前转动角速度轨迹、所述右侧当前转动角度轨迹和所述右侧当前转动角速度轨迹确定所述穿戴者的状态切换趋势；其中，所述状态切换趋势包括迈步和起立；具体地，若所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹中存在与预设的标准角速度曲线相似度大于第一预设值的当前区段，则判定所述状态切换趋势为所述迈步；其中，所述标准角速度曲线为一个标准步态周期内所述穿戴者髋关节的转动角速度曲线；
力矩确定模块，用于依据所述状态切换趋势分别确定对应于所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼的助力力矩轨迹；具体地，若所述状态切换趋势为所述迈步，则依据所述左侧当前转动角速度轨迹或所述右侧当前转动角速度轨迹和预设的自适应振荡器模型确定对应于所述穿戴者的当前步态周期；依据所述当前步态周期和预设的标准迈步力矩曲线，确定左侧迈步助力轨迹和右侧迈步助力轨迹；其中，所述标准迈步力矩曲线为所述髋关节外骨骼辅助所述穿戴者完成一次标准迈步动作的力矩曲线；所述左侧迈步助力轨迹为包括左侧助力起始时间的力矩轨迹；所述右侧迈步助力轨迹为包括右侧助力起始时间的力矩轨迹；所述左侧迈步助力轨迹中包含的所述左侧助力起始时间与所述右侧迈步助力轨迹的包含的所述右侧助力起始时间相隔半个所述当前步态周期；
力矩控制模块，用于依据所述助力力矩轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼和所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者进行相应的状态切换；具体地，依据所述左侧迈步助力轨迹驱动所述左侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者左侧下肢行走，以及依据所述右侧迈步助力轨迹驱动所述右侧髋关节外骨骼辅助所述穿戴者右侧下肢行走。
6.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至4中任一项所述的方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4中任一项所述的方法。
8.一种应用于如权利要求1-4任一所述的方法的髋关节外骨骼，其特征在于，包括：驱动结构和用于控制所述驱动结构转动的腰部结构；所述腰部结构包括背板组件和用于调节所述腰部结构左右宽度的调节组件；所述驱动结构通过所述调节组件连接于所述背板组件两侧；
所述调节组件包括调节主体和用于调节所述腰部结构左右宽度的第一链接件；所述第一链接件的一端与所述背板组件通过第一螺栓组件连接，另一端通过所述调节主体与所述驱动结构的端部连接；其中，所述第一螺栓组件用于调节所述第一链接件与所述背板组件的相对位置；
所述驱动结构上设有电机组件；所述背板组件上设有用于控制所述电机组件转动的控制部；所述电机组件与所述控制部电连接；
当所述穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述腰部结构固定于所述穿戴者的腰部位置；所述驱动结构固定于所述穿戴者的下肢位置，其中，所述电机组件的位置对应于所述穿戴者髋关节的位置；
当所述髋关节外骨骼对所述穿戴者实施助力时，所述控制部驱动所述电机组件转动，带动装配有所述驱动结构的所述穿戴者的下肢转动，从而为所述穿戴者的髋关节提供助力。
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