CN114209556A - 一种髋关节外骨骼的控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种髋关节外骨骼的控制方法及控制系统。所述方法包括：获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度；依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间；依据预设助力侧、预设助力等级和所述助力时间，生成调整策略；依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度，判断是否存在迈步意图；当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度。本申请可以根据穿戴者的个人需求设置助力侧和助力等级，适用于各类人群；还可以根据穿戴者的运动状态实时调整助力策略，并且可以准确识别穿戴者的迈步意图，在合适的时机提供助力，从而达到较好的助力效果。

Description

一种髋关节外骨骼的控制方法及控制系统

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控制系统。

背景技术

随着社会的发展，人口老龄化问题日益严峻。老年人随着年龄增加，肢体功能逐渐衰退，尤其影响行走能力。脑卒中偏瘫患者和帕金森患者因肢体运动功能障碍，行走能力严重下降。如何增强老年人和特殊人群的下肢运动功能，改善其行走能力成为亟待解决的问题。

现有一类髋关节助力外骨骼机器人，它是一种专门针对人体下肢活动时髋关节运动助力的可穿戴电子设备。其工作原理为：采集左右两边髋关节的实时角度值，基于左右两髋的角度差，采取自反馈延时助力策略提供连续正弦曲线的助力力矩。这类髋关节助力外骨骼机器人通过直接与人体交互作用，在人体行走时提供额外的力矩帮助穿戴者提高步幅、步速和抬腿高度，以此来改善人体的下肢活动能力。

但是，现有的髋关节外骨骼机器人体积较大，穿戴过程较为繁琐，长时间地穿戴会给穿戴者造成身体负担；模式较为单一，没有针对不同的特定人群制定不同的助力策略，难以适用于如偏瘫、帕金森等人群；无法准确识别穿戴者的迈步意图，延时助力的时机不能得到很好的保证。

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和控制系统。

一种髋关节外骨骼的控制方法，包括：

获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度；

依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间；

依据预设助力侧、预设助力等级和所述助力时间，生成调整策略；

依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度，判断是否存在迈步意图；

当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度。

优选地，所述依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间的步骤包括：

依据对应于右侧的所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度，确定右侧触发迈步的第一时间点；

依据对应于左侧的所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度，确定左侧触发迈步的第二时间点；

依据所述第一时间点和所述第二时间点确定所述助力时间。

优选地，所述当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度的步骤包括：

当所述助力侧存在迈步意图时，则依据所述调整策略确定对应于所述助力侧的力矩变化预测结果；

依据所述力矩变化预测结果调整所述助力侧的所述期望运动角速度和所述期望运动角度。

优选地，所述依据所述力矩变化预测结果调整所述助力侧的所述期望运动角速度和所述期望运动角度的步骤包括：

依据所述力矩变化预测结果确定对应于所述助力侧的角速度调整参数和角度调整参数；

依据所述角速度调整参数和所述角度调整参数，调整所述助力侧的所述期望运动角速度和所述期望运动角度。

优选地，所述获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度的步骤之后，还包括：

依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、所述历史运动角速度和所述历史运动角度确定功率谱；

依据所述功率谱确定穿戴者的运动状态，其中，所述运动状态包括停止和迈步。

一种髋关节外骨骼的控制装置，包括：

运动信息获取模块，用于获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度；

助力时间确认模块，用于依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间；

调整策略生成模块，用于依据预设助力侧、预设助力等级和所述助力时间，生成调整策略；

迈步意图判断模块，用于依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度，判断是否存在迈步意图；

运动状态调整模块，用于当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度。

优选地，所述助力时间确认模块包括：

第一时间点确定子模块，用于依据对应于右侧的所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度，确定右侧触发迈步的第一时间点；

第二时间点确定子模块，用于依据对应于左侧的所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度，确定左侧触发迈步的第二时间点；

助力时间确定子模块，用于依据所述第一时间点和所述第二时间点确定所述助力时间。

优选地，所述运动状态调整模块包括：

预测结果确定子模块，用于当所述助力侧存在迈步意图时，则依据所述调整策略确定对应于所述助力侧的力矩变化预测结果；

预测结果输出子模块，用于依据所述力矩变化预测结果调整所述助力侧的所述期望运动角速度和所述期望运动角度。

优选地，所述运动状态调整子模块包括：

调整参数确定子模块，用于依据所述力矩变化预测结果确定对应于所述助力侧的角速度调整参数和角度调整参数；

调整参数输出子模块，用于依据所述角速度调整参数和所述角度调整参数，调整所述助力侧的所述期望运动角速度和所述期望运动角度。

优选地，还包括：

功率谱确定模块，用于依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、所述历史运动角速度和所述历史运动角度确定功率谱；

运动状态确定模块，用于依据所述功率谱确定穿戴者的运动状态，其中，所述运动状态包括停止和迈步。

一种设备，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方法的步骤。

一种基于上述所述的方法的髋关节外骨骼，包括：用于为穿戴者的髋关节提供助力的驱动组件，以及用于控制所述驱动组件的腰部组件；

所述腰部组件上设有控制部；所述腰部组件的两侧分别可拆卸连接有所述驱动组件；所述驱动组件上设有用于提供助力的转动部；所述转动部与所述控制部电性连接；

当穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述腰部组件固定于穿戴者的腰部位置；所述驱动组件固定于穿戴者的下肢位置，其中，所述转动部位置对应于穿戴者下肢的髋关节位置；

当所述髋关节外骨骼对穿戴者实施助力时，通过所述控制部驱动所述转动部转动提供助力，带动固定有所述驱动组件的穿戴者的下肢进行迈步动作。

优选地，所述驱动组件还包括腰部固定杆、大腿连接杆和大腿固定带；所述腰部固定杆、所述转动部、所述大腿连接杆和所述大腿固定带依次连接；所述腰部固定杆与所述控制部可拆卸连接；

当所述髋关节外骨骼对穿戴者实施助力时，所述控制部驱动所述转动部转动，所述转动部带动所述大腿连接杆转动，从而带动固定有所述驱动组件的穿戴者的下肢进行迈步动作。

优选地，所述转动部包括外壳、设置于所述外壳内部的电机，以及设置于所述外壳侧边的转动件；所述转动件的一端与所述电机的输出端连接，另一端与所述大腿连接杆的端部连接；所述控制部与所述电机电性连接；

当所述髋关节外骨骼对穿戴者实施助力时，所述控制部驱动所述电机转动，所述电机带动所述转动件转动，所述转动件带动所述大腿连杆转动，从而带动固定有所述驱动组件的穿戴者的下肢进行迈步动作。

优选地，所述大腿连接杆的端部设有日字扣；所述大腿固定带的两端分别穿设于所述日字扣内。

优选地，所述腰部固定杆与所述控制部通过插扣可拆卸连接。

优选地，还包括“Y”形肩带；所述肩带的端部分别与所述控制部和两侧的所述腰部固定杆连接。

优选地，所述肩带分别与所述控制部和所述腰部固定杆通过插扣可拆卸连接。

优选地，当穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述腰带通过插扣固定于穿戴者的腰部。

优选地，当穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述控制部通过所述腰带固定于穿戴者腰部后方。

优选地，所述控制部包括背包，以及设置于所述背包内部的控制器和电源；所述控制器分别与所述电源和所述转动部电性连接。

本申请具有以下优点：

在本申请的实施例中，通过获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度；依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间；依据预设助力侧、预设助力等级和所述助力时间，生成调整策略；依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度，判断是否存在迈步意图；当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度，可以根据穿戴者的个人需求设置助力侧和助力等级，适用于中老年人、偏瘫患者和帕金森患者等各类人群；还可以根据穿戴者的运动状态实时调整助力策略，并且可以准确识别穿戴者的迈步意图，在合适的时机提供助力，从而达到较好的助力效果。

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，还可以依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力矩曲线示意图；

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主视图。

说明书附图中的附图标记如下：

310、运动信息获取模块；320、助力时间确认模块；330、调整策略生成模块；340、迈步意图判断模块；350、运动状态调整模块；

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；

1、肩带；2、腰带；3、控制部；4、腰部固定杆；5、转动部；6、大腿连接杆；7、大腿固定带；101、左肩带；102、右肩带；103、连接带；104、连接件。

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，包括：

S110、获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度；

S210、依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间；

S310、依据预设助力侧、预设助力等级和所述助力时间，生成调整策略；

S410、依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度，判断是否存在迈步意图；

S510、当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度。

在本申请的实施例中，通过获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度；依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间；依据预设助力侧、预设助力等级和所述助力时间，生成调整策略；依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度，判断是否存在迈步意图；当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度，可以根据穿戴者的个人需求设置助力侧和助力等级，适用于中老年人、偏瘫患者和帕金森患者等各类人群；还可以根据穿戴者的运动状态实时调整助力策略，并且可以准确识别穿戴者的迈步意图，在合适的时机提供助力，从而达到较好的助力效果。

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，获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度；具体地，可以通过设置于所述髋关节外骨骼电机上的运动传感器(例如角度传感器)采集所述实时运动角速度和所述实时运动角度；其中，所述实时运动角速度包括左腿和右腿转动的角速度；所述实时运动角度为左腿和右腿之间的夹角。

如所述步骤S210所述，依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间；其中，所述历史运动角速度为所述运动传感器在过去的第一时间段内采集到的左腿和右腿转动的角速度；所述历史运动角度为所述运动传感器在所述第一时间段内采集到的左腿和右腿之间的夹角；所述助力时间为所述髋关节外骨骼完成单次助力的时长。

如所述步骤S310所述，依据预设助力侧、预设助力等级和所述助力时间，生成调整策略；其中，所述助力侧为提供助力的侧边，可以是单侧(左侧或右侧)或双侧；所述助力等级为助力的力值大小，可以是低级、中级或高级；所述助力侧和所述助力等级可以由穿戴者依据个人需求设置，具体地，可以是通过语音输入或移动用户端(例如与所述髋关节外骨骼相配套的手机软件)输入，所述髋关节外骨骼内部设有可以获取所述预设助力侧和所述预设助力等级的对应接口；

所述调整策略包括对应于所述助力侧的力矩变化预测结果，其中，所述力矩变化预测结果为所述髋关节外骨骼电机的输出力矩随时间的变化曲线；如图2所示，所述力矩曲线横坐标为时间，纵坐标为力矩，所述力矩曲线中的峰值力矩为力矩幅值；首先，依据所述助力等级确定力矩幅值，所述力矩幅值的大小与所述助力等级相对应(具体地，所述助力等级越高，所述力矩幅值越大)；

其次，依据所述助力时间调整所述力矩曲线的持续时间(具体地，所述助力时间越长，所述持续时间越长)；由于所述力矩曲线的持续时间包含三个阶段：上升阶段、峰值阶段和下降阶段，在本实施例中可以依据所述助力时间调整所述峰值阶段的持续时间，从而调整所述力矩曲线的总体持续时间；最终根据所述力矩曲线和所述助力侧，确定所述调整策略；

需要说明的是，通过所述助力时间，结合预设的所述助力侧和所述助力等级，生成所述助力策略，既满足了不同穿戴者的使用需求，又可以使得助力的时长和大小均符合穿戴者的实际运动情形。

如所述步骤S410所述，依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度，判断是否存在迈步意图；具体地，可以依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度，判断所述助力侧是否存在迈步意图；需要说明的是，当穿戴者存在迈步意图时，其大腿将从支撑状态进入抬升状态，所述实时运动角速度和所述实时运动角度将分别处于第一速度区间和第一角度区间，因此，可以依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度的大小，判断是否存在迈步意图。

如所述步骤S510所述，当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度；具体地，可以依据所述调整策略，调整对应于所述助力侧的所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度；其中，所述期望运动角速度为所述髋关节外骨骼电机的期望转动角速度；所述期望运动角度为所述髋关节外骨骼电机的期望转动角度。

在本申请一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S210所述“依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间”的具体过程。

依据对应于右侧的所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度，确定右侧触发迈步的第一时间点；具体地，在所述第一时间段内，当右侧的所述髋关节外骨骼的运动角速度和运动角度分别处于第一速度区间和第一角度区间时，则判断穿戴者的右腿存在迈步意图，选取右腿最近一次存在迈步意图的时间点作为所述第一时间点；

依据对应于左侧的所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度，确定左侧触发迈步的第二时间点；具体地，在所述第一时间段内，当左侧的所述髋关节外骨骼的运动角速度和运动角度分别处于第一速度区间和第一角度区间时，则判断穿戴者的左腿存在迈步意图，选取左腿最近一次存在迈步意图的时间点作为所述第二时间点；

依据所述第一时间点和所述第二时间点确定所述助力时间；具体地，首先获取所述第一时间点和所述第二时间点之间的差值，需要说明的是，所述差值为所述髋关节外骨骼最近一次完成迈步动作所需的时间，因此可以将所述差值作为所述助力时间。

需要说明的是，所述助力时间过长可能导致迈步转换困难，过短则无法起到助力效果；本实施例通过实时检测穿戴者的运动状态确定所述助力时间，可以使得所述助力时间符合穿戴者的实际运动情形，从而获得较好的助力效果。

在本申请一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S410所述“当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度”的具体过程。

当所述助力侧存在迈步意图时，则依据所述调整策略确定对应于所述助力侧的力矩变化预测结果；依据所述力矩变化预测结果调整所述助力侧的所述期望运动角速度和所述期望运动角度。

其中，所述“依据所述力矩变化预测结果调整所述助力侧的所述期望运动角速度和所述期望运动角度”的具体过程为：

依据所述力矩变化预测结果确定对应于所述助力侧的角速度调整参数和角度调整参数；其中，所述角速度调整参数为所述髋关节外骨骼电机的期望转动角速度随时间的变化曲线；所述角度调整参数为所述髋关节外骨骼电机的期望转动角度随时间的变化曲线；

依据所述角速度调整参数和所述角度调整参数，调整所述助力侧的所述期望运动角速度和所述期望运动角度。

具体地，当所述助力侧为双侧时，则在检测到第一侧(即首先触发迈步意图的一侧，可以是左侧或右侧)的迈步意图时，依据对应于所述第一侧的所述力矩变化预测结果，确定对应于所述第一侧的角速度调整参数和角度调整参数；再依据所述角速度调整参数和所述角度调整参数，调整所述第一侧的所述髋关节外骨骼的所述期望运动角速度和所述期望运动角度；

当所述助力侧为左侧(或右侧)时，则在检测到左侧(或右侧)的迈步意图时，依据所述力矩变化预测结果，确定角速度调整参数和角度调整参数；再依据所述角速度调整参数和所述角度调整参数，调整左侧(或右侧)的所述髋关节外骨骼电机的所述期望运动角速度和所述期望运动角度。

需要说明的是，本实施例通过在检测到迈步意图之时提供助力，可以使得助力时机较为精准，避免出现与穿戴者的迈步意图不匹配的情况，从而获得较好的助力效果。

在本申请一实施例中，可以结合下列描述进一步说明步骤S110所述“获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度”之后的具体过程。

依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、所述历史运动角速度和所述历史运动角度确定功率谱；具体地，首先对所述实时运动角速度、所述实时运动角度、所述历史运动角速度和所述历史运动角度进行低阶滤波，获得去噪运动信息；其次，对所述去噪运动信息进行傅里叶变换，获得所述去噪运动信息的功率谱，其中，所述功率谱的范围为0.5-3Hz；

依据所述功率谱确定穿戴者的运动状态，其中，所述运动状态包括停止和迈步；具体地，可以根据所述功率谱的最大峰值的功率大小判断穿戴者是否处于运动状态。

需要说明的是，本实施例通过获取所述功率谱，可以较为精准地掌握穿戴者的运动状态；在其他实施例中，如果穿戴者处于停止状态，还可以通过语音提醒等方式输出提示信息，从而便于其他人员对穿戴者运动状态进行观察和记录。

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：

运动信息获取模块310，用于获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度；

助力时间确认模块320，用于依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间；

调整策略生成模块330，用于依据预设助力侧、预设助力等级和所述助力时间，生成调整策略；

迈步意图判断模块340，用于依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度，判断是否存在迈步意图；

运动状态调整模块350，用于当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度。

在本申请一实施例中，所述助力时间确认模块320，包括：

第一时间点确定子模块，用于依据对应于右侧的所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度，确定右侧触发迈步的第一时间点；

第二时间点确定子模块，用于依据对应于左侧的所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度，确定左侧触发迈步的第二时间点；

助力时间确定子模块，用于依据所述第一时间点和所述第二时间点确定所述助力时间。

在本申请一实施例中，所述运动状态调整模块350，包括：

预测结果确定子模块，用于当所述助力侧存在迈步意图时，则依据所述调整策略确定对应于所述助力侧的力矩变化预测结果；

预测结果输出子模块，用于依据所述力矩变化预测结果调整所述助力侧的所述期望运动角速度和所述期望运动角度。

在本申请一实施例中，所述预测结果输出子模块，包括：

调整参数确定子模块，用于依据所述力矩变化预测结果确定对应于所述助力侧的角速度调整参数和角度调整参数；

调整参数输出子模块，用于依据所述角速度调整参数和所述角度调整参数，调整所述助力侧的所述期望运动角速度和所述期望运动角度。

在本申请一实施例中，还包括：

功率谱确定模块，用于依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、所述历史运动角速度和所述历史运动角度确定功率谱；

运动状态确定模块，用于依据所述功率谱确定穿戴者的运动状态，其中，所述运动状态包括停止和迈步。

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医护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方法。

也即，上述处理单元16执行上述程序时实现：获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度；依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间；依据预设助力侧、预设助力等级和所述助力时间，生成调整策略；依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度，判断是否存在迈步意图；当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度。

在本申请实施例中，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本申请所有实施例提供的方法。

也即，给程序被处理器执行时实现：获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度；依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间；依据预设助力侧、预设助力等级和所述助力时间，生成调整策略；依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度，判断是否存在迈步意图；当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度。

可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机克顿信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电性连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存储器(EPOM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言——诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言——诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在医护人员计算机上执行、部分地在医护人员计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在医护人员计算机上部分在远程计算机上执行或者完全在远程计算机或者服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)——连接到医护人员计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

参照图5-6，示出了本申请的一种基于上述所述的方法的髋关节外骨骼，具体可以包括如下：用于为穿戴者的髋关节提供助力的驱动组件，以及用于控制所述驱动组件的腰部组件；

所述腰部组件上设有控制部3；所述腰部组件的两侧分别可拆卸连接有所述驱动组件；所述驱动组件上设有用于提供助力的转动部5；所述转动部5与所述控制部3电性连接；

当穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述腰部组件固定于穿戴者的腰部位置；所述驱动组件固定于穿戴者的下肢位置，其中，所述转动部5位置对应于穿戴者下肢的髋关节位置；

当所述髋关节外骨骼对穿戴者实施助力时，通过所述控制部3驱动所述转动部5转动提供助力，带动固定有所述驱动组件的穿戴者的下肢进行迈步动作。

在本申请的实施例中，通过用于为穿戴者的髋关节提供助力的驱动组件，以及用于控制所述驱动组件的腰部组件；所述腰部组件上设有控制部3；所述腰部组件的两侧分别可拆卸连接有所述驱动组件；所述驱动组件上设有用于提供助力的转动部5；所述转动部5与所述控制部3电性连接，可以构成易于穿戴的背包式结构，为穿戴者提供髋关节行走助力，穿戴者可以在站立或坐下时自行对所述外骨骼进行穿戴或卸下；所述外骨骼体积较小并且外形贴合人体构造，可以减轻穿戴者穿戴时的负担。

下面，将对本示例性实施例中一种背包式髋关节助行外骨骼作进一步地说明。

本实施例中，所述驱动组件还包括腰部固定杆4、大腿连接杆6和大腿固定带7；所述腰部固定杆4、所述转动部5、所述大腿连接杆6和所述大腿固定带7依次连接；所述腰部固定杆4与所述控制部3可拆卸连接；

当所述髋关节外骨骼对穿戴者实施助力时，所述控制部3驱动所述转动部5转动，所述转动部5带动所述大腿连接杆6转动，从而带动固定有所述驱动组件的穿戴者的下肢进行迈步动作。

本实施例中，所述转动部5包括外壳、设置于所述外壳内部的电机，以及设置于所述外壳侧边的转动件；所述转动件的一端与所述电机的输出端连接，另一端与所述大腿连接杆6的端部连接；所述控制部3与所述电机电性连接；

当所述髋关节外骨骼对穿戴者实施助力时，所述控制部3驱动所述电机转动，所述电机带动所述转动件转动，所述转动件带动所述大腿连杆转动，从而带动固定有所述驱动组件的穿戴者的下肢进行迈步动作。

具体地，所述外壳呈空心的圆柱体；所述电机固定于所述外壳内壁；所述电机的输出端设置于所述外壳的中心轴位置，并且贯穿所述外壳壁层；所述转动件的一端与所述电机的输出端固定连接，另一端与所述大腿连接杆6的端部固定连接；所述控制部3驱动所述电机转动，所述电机带动所述转动件绕所述外壳的中心轴转动，进一步带动所述大腿连接杆6绕所述外壳的中心轴转动。

本实施例中，所述大腿连接杆6的端部设有日字扣；所述大腿固定带7的两端分别穿设于所述日字扣内。具体地，所述大腿固定带7的一端穿设于所述日字扣的第一通孔内，另一端缠绕使用者腿部后穿入所述日字扣的第二通孔；所述腿带的长度可以调节至与使用者腿部直径相适配。

需要说明的是，通过设置所述大腿固定带7，可以将所述大腿连接杆6的端部固定于使用者的大腿位置；所述大腿固定带7长度可调，适用于不同体型的使用者。

本实施例中，所述腰部固定杆4与所述控制部3通过插扣可拆卸连接。需要说明的是，通过在所述腰部固定杆4和所述控制部3的连接处设置插扣，便于使用者快速穿上或卸下所述驱动组件。

本实施例中，还包括“Y”形肩带1；所述肩带1的端部分别与所述控制部3和两侧的所述腰部固定杆4连接。具体地，所述肩带1包括左肩带101、右肩带102、连接带103和连接件104，其中，所述左肩带101与所述右肩带102对称设置于所述连接件104两侧；所述左肩带101的端部分别与所述连接件104的顶部和一侧的所述腰部固定杆4连接；所述右肩带102的端部分别与所述连接件104的顶部和另一侧的所述腰部固定杆4连接；所述连接带103的端部分别与所述连接件104的底部和所述控制部3连接。

需要说明的是，通过设置所述肩带1，可以分别为所述控制部3和两侧的所述腰部固定杆4提供向上的拉力，减轻使用者的腰部负担。

本实施例中，所述肩带1分别与所述控制部3和所述腰部固定杆4通过插扣可拆卸连接。需要说明的是，通过分别在所述肩带1与所述控制部3和所述腰部固定杆4的连接处设置插扣，便于使用者快速穿上或卸下所述肩带1。

本实施例中，当穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述腰带2通过插扣固定于穿戴者的腰部，具体地，用于固定所述腰带2的插扣设置于穿戴者腰部前方。需要说明的是，通过在所述腰带2上设置插扣，便于使用者快速穿上或卸下所述腰部组件。

本实施例中，当穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述控制部3通过所述腰带2固定于穿戴者腰部后方，具体地，所述控制部3固定于穿戴者腰部后方的中间位置。需要说明的是，通过将所述控制部3固定于穿戴者的腰部后方，可以避免对穿戴者的上肢运动造成干扰。

本实施例中，所述控制部3包括背包，以及设置于所述背包内部的控制器和电源；所述控制器分别与所述电源和所述转动部5电性连接。

具体地，所述背包包括背包主体和上盖，所述上盖与所述背包主体可拆卸连接，例如通过卡扣连接；所述控制器包括处理器和存储器，所述存储器上存储有控制软件，所述处理器负责控制软件与各个模块的调度，基于实时性系统，可稳定提供1KHz的控制频率，保证有效的控制效果；所述电源为5V的直流电压，可持续提供2小时的有效供电；

需要说明的是，通过将所述控制器和所述电源设置于所述背包内部，便于使用者进行穿戴，同时可以对所述控制器和所述电源起到保护作用。

本实施例中，所述腰部固定杆4和所述大腿连接杆6的材质为金属或硬质塑料，优选为铝合金，质量较轻，同时具有较强的耐腐蚀性，可以提供较好的支撑效果；所述肩带1、所述腰带2和所述大腿固定带7的材质为织布或尼龙，优选为尼龙，质量较轻，同时具有较强的耐磨性。

本申请的操作过程为：

一、正常模式

穿戴者为下肢肌肉力量不足的老年人，自行可站立行走，但因腿部力量不足，导致行走速度缓慢、步伐较小，且步行时间较短。针对这类人群，可使用助行系统中的正常模式进行训练。

穿戴者通过手机软件将所述助力等级和所述助力侧设置为正常模式(所述助力等级为中级，所述助力侧为双侧)，穿戴好所述髋关节外骨骼；所述髋关节外骨骼通过角度传感器获取穿戴者的运动状态，判断是否存在迈步意图，当存在迈步意图时，则通过所述髋关节外骨骼上的电机提供力矩输出，力矩输出的时间则依据穿戴者的运动状态决定，当行走较慢时，提供助力的时间会变长，相反，当行走速度较快时，提供助力的时间会变短。

通过上述助力方案，可辅助穿戴者加大迈步步伐，提高步行速度，同时能够减轻穿戴者髋关节的步行负担，提高步行时间。

二、偏瘫模式

穿戴者为脑卒中偏瘫患者，自行可站立行走，但因患侧腿部力量不足，导致行走速度缓慢、步伐较小，步行时间较短，同时可能存在足下垂，脚尖拖地的问题。针对这类人群，可使用助行系统中的偏瘫模式进行训练。

穿戴者通过手机软件将所述助力等级和所述助力侧设置为偏瘫模式(所述助力等级为高级，所述助力侧为左侧或右侧)，穿戴好所述髋关节外骨骼；所述髋关节外骨骼通过角度传感器获取穿戴者的运动状态，判断是否存在迈步意图，当存在迈步意图时，则通过所述髋关节外骨骼上的电机提供力矩输出，力矩输出的时间则依据穿戴者的运动状态决定，当行走较慢时，提供助力的时间会变长，相反，当行走速度较快时，提供助力的时间会变短。

通过上述助力方案，可以为穿戴者提供单侧助力，辅助穿戴者提高抬腿高度，加大迈步步伐，提高步行速度，同时能够减轻穿戴者髋关节的步行负担，提高步行时间，避免因足下垂导致摔倒。

三、帕金森模式

穿戴者为帕金森患者，自行可站立行走，但存在冻结步态病症，会出现暂时性下肢不受控停止步行，从而会因惯性而摔倒。针对这类人群，可使用助行系统中的帕金森模式进行训练。该模式需配合医护人员使用。

穿戴者通过手机软件将所述助力等级和所述助力侧设置为帕金森模式(所述助力等级为低级，所述助力侧为双侧)，穿戴好所述髋关节外骨骼；在正常行走训练过程中所述髋关节外骨骼处于零力模式，即不进行助力，当穿戴者出现冻结步态而无法行走时，系统检测到穿戴者处于停止状态，随即发出语音提示，医护人员通过手机软件触发按钮，每次触发一次按钮，系统提供一次助力。

通过上述助力方案，可以有效帮助穿戴者解除冻结步态，恢复正常步行。

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控制系统，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 (10)

1.一种髋关节外骨骼的控制方法，其特征在于，包括：

获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度；

依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间；

依据预设助力侧、预设助力等级和所述助力时间，生成调整策略；

依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度，判断是否存在迈步意图；

当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间的步骤包括：

依据对应于右侧的所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度，确定右侧触发迈步的第一时间点；

依据对应于左侧的所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度，确定左侧触发迈步的第二时间点；

依据所述第一时间点和所述第二时间点确定所述助力时间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度的步骤包括：

当所述助力侧存在迈步意图时，则依据所述调整策略确定对应于所述助力侧的力矩变化预测结果；

依据所述力矩变化预测结果调整所述助力侧的所述期望运动角速度和所述期望运动角度。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述依据所述力矩变化预测结果调整所述助力侧的所述期望运动角速度和所述期望运动角度的步骤包括：

依据所述力矩变化预测结果确定对应于所述助力侧的角速度调整参数和角度调整参数；

依据所述角速度调整参数和所述角度调整参数，调整所述助力侧的所述期望运动角速度和所述期望运动角度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度的步骤之后，还包括：

依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、所述历史运动角速度和所述历史运动角度确定功率谱；

依据所述功率谱确定穿戴者的运动状态，其中，所述运动状态包括停止和迈步。

6.一种髋关节外骨骼的控制装置，其特征在于，包括：

运动信息获取模块，用于获取髋关节外骨骼的实时运动角速度和实时运动角度；

助力时间确认模块，用于依据所述实时运动角速度、所述实时运动角度、历史运动角速度和历史运动角度确定助力时间；

调整策略生成模块，用于依据预设助力侧、预设助力等级和所述助力时间，生成调整策略；

迈步意图判断模块，用于依据所述实时运动角速度和所述实时运动角度，判断是否存在迈步意图；

运动状态调整模块，用于当存在迈步意图时，则依据所述调整策略调整所述髋关节外骨骼的期望运动角速度和期望运动角度。

7.一种设备，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5中任一项所述的方法。

8.一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5中任一项所述的方法。

9.一种基于如权利要求1至5中任一项所述的方法的髋关节外骨骼，其特征在于，包括：用于为穿戴者的髋关节提供助力的驱动组件，以及用于控制所述驱动组件的腰部组件；

所述腰部组件上设有控制部；所述腰部组件的两侧分别可拆卸连接有所述驱动组件；所述驱动组件上设有用于提供助力的转动部；所述转动部与所述控制部电性连接；

当穿戴者穿戴所述髋关节外骨骼时，所述腰部组件固定于穿戴者的腰部位置；所述驱动组件固定于穿戴者的下肢位置，其中，所述转动部位置对应于穿戴者下肢的髋关节位置；

当所述髋关节外骨骼对穿戴者实施助力时，通过所述控制部驱动所述转动部转动提供助力，带动固定有所述驱动组件的穿戴者的下肢进行迈步动作。

10.根据权利要求9所述的外骨骼，其特征在于，所述驱动组件还包括腰部固定杆、大腿连接杆和大腿固定带；所述腰部固定杆、所述转动部、所述大腿连接杆和所述大腿固定带依次连接；所述腰部固定杆与所述控制部可拆卸连接；

当所述髋关节外骨骼对穿戴者实施助力时，所述控制部驱动所述转动部转动，所述转动部带动所述大腿连接杆转动，从而带动固定有所述驱动组件的穿戴者的下肢进行迈步动作。

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