CN115006206A - 一种基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，包括人机交互界面、肌力参数处理模块、步态协调控制模块和肌力矫正模块；人机交互界面用于设定初始步态参数和初始肌力参数；肌力参数处理模块根据左腿肌力和右腿肌力的相对关系，结合肌力参数，为外骨骼机器人设定肌力控制策略；步态协调控制模块根据实时步态参数计算实时理论轨迹，根据实时肌力参数对应的肌力控制策略对实时理论轨迹进行计算得到下一步伐的理论轨迹；肌力矫正模块根据理论轨迹和肌力控制策略计算四个电机的输出力矩值。本发明能够有效补偿双侧的肌力损失，使双腿能接近自然行走，满足各类患者的运动康复需求，实现运动康复目标。

Description

一种基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制 的控制器

技术领域

本发明涉及一种基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，属于机器人技术。

背景技术

助力外骨骼机器人是一种穿戴方式的下肢步行仿生机械腿，它以人为中心，通过传感器采集人体运动的趋势，在助力方面给予与人相同步态方向的关节助力，在助行方面带动人体产生相应运动，以刺激对应的骨骼肌群；在大部分患者的康复需求中，需要利用对双腿肌力损失程度的在线补偿，结合自然行走的运动轨迹，对患者的自发运动进行协调，达到对行走轨迹的镜像调节，促进大脑行走协调功能的康复。中国专利CN202010672072.6提供了一种单下肢康复外骨骼装置及其控制方法，专利先确定患健侧的状态，控制器根据健侧的运动数据得到患侧的步态数据，并在健侧处于支撑时启动患侧进行运动，该专利利用足底压力值去判断支撑状态，通过位置传感器得到步长步高和步频的信息，但该方法与本专利相比没考虑到患侧与健侧的区别并没有那么绝对，可能存在双侧损失不同肌力的情况，在根据不同肌力损失程度去处理患者的行走行为并没有对应的方法；中国专利CN202010355333.1提出基于健患侧耦合的主动式脑卒中下肢康复机器人控制方法，专利通过健侧的多传感器融合数据获取运动意图，将运动意图与特征性病理步态矫正策略进行耦合得到耦合训练的数据，该专利侧重于通过意图识别来得到耦合训练的数据，执行被动运动，并没考虑到通过肌力控制来发挥患者的主观运动意识；中国专利CN202010068273.5提供一种原地踏步训练方法、装置、终端及存储介质，专利通过获取外骨骼的识别信息识别运动步态，根据步态获取运动意图，对用户原地踏步训练提供纠正性方法与措施，该专利只局限于原地踏步运动，并未涉及行走协调与相关控制。

发明内容

发明目的：针对现有外骨骼机器人在进行康复训练时，单纯的被动训练或单纯的对侧训练都不能满足双下肢存在不同肌力损失情况下的康复治疗目的，本发明提供一种在双下肢肌力损失不同情况下，对肌力损失制定不同的肌力矫正策略，并由步态镜像调节机制，在线修正肌力矫正策略，使患者能更加自然实现镜像行走，达到步态康复训练的目的。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，该控制器的控制对象为外骨骼机器人，外骨骼机器人是主要由左髋、左膝、右髋、右膝四个电机及其对应的关节连杆构成的机械电子动力系统，通过传感器信号采集与预处理模块采集四个电机的位置信号；该控制器包括人机交互界面、肌力参数处理模块、步态协调控制模块和肌力矫正模块；

所述人机交互界面，用于设定初始步态参数和初始肌力参数；

所述肌力参数处理模块，根据左腿肌力和右腿肌力的相对关系，结合初始肌力参数或实时肌力参数，为外骨骼机器人设定肌力控制策略，所述肌力控制策略涉及肌力补偿控制和步态镜像调节；

所述步态协调控制模块，根据初始步态参数计算初始步伐的理论轨迹，根据初始肌力参数对应的肌力控制策略对初始步伐的理论轨迹的速度和加速度进行计算得到下一步伐的理论轨迹；根据传感器信号采集与预处理模块得到的实时步态参数计算实时理论轨迹，根据实时肌力参数对应的肌力控制策略对实时理论轨迹的速度和加速度进行计算得到下一步伐的理论轨迹；

所述肌力矫正模块，根据步态协调控制模块输出的理论轨迹和肌力参数处理模块输出的肌力控制策略，计算四个电机的输出力矩值并交由四个电机执行。

具体的，所述肌力参数处理模块中，根据双腿肌力的匹配度，结合初始肌力参数或实时肌力参数，为外骨骼机器人设定肌力控制策略；双腿肌力的匹配度=|左腿肌力-右腿肌力|/肌力量程，设定策略调整阈值为δ，δ的取值优选为0.5，对应匹配度的肌力控制策略为：

肌力控制策略①：匹配度=0，且左腿肌力=右腿肌力=0；则肌力矫正时，左腿阻抗=右腿阻抗=满量程；

肌力控制策略②：匹配度=0，且左腿肌力=右腿肌力=满量程；则肌力矫正时，左腿阻抗=右腿阻抗=0；

肌力控制策略③：匹配度=0，且左腿肌力=右腿肌力∈(0,满量程)；则肌力矫正时，左腿阻抗=右腿阻抗；

肌力控制策略④：匹配度=(0,δ)，且左腿肌力＞右腿肌力；则左腿采用主动调节策略，右腿采用被动调节策略，肌力矫正时，左腿为主动调节，右腿为被动调节，基于左腿的实际轨迹计算右腿的理论轨迹；

肌力控制策略⑤：匹配度=(0,δ)，且左腿肌力＜右腿肌力；则左腿采用被动调节策略，右腿采用主动调节策略，肌力矫正时，左腿为被动调节，右腿为主动调节，基于右腿的实际轨迹计算左腿的理论轨迹；

肌力控制策略⑥：匹配度=[δ,1)；则肌力矫正时，进行双腿补偿调节一致化处理；

肌力控制策略⑦：匹配度=1，且左腿肌力=0；则肌力矫正时，左腿阻抗=满量程，右腿阻抗=0；

肌力控制策略⑧：匹配度=1，且右腿肌力=0；则肌力矫正时，左腿阻抗=0，右腿肌力=满量程。

具体的，所述双腿补偿调节一致化处理，即对双腿的差异值取中间值，得到矫正后的左髋、左膝、右髋、右膝的有效活动范围、单步时间信息。

具体的，所述肌力矫正模块中，针对不同肌力控制策略，对四个电机的矫正策略为：

针对肌力控制策略①：对四个电机均进行跟踪轨迹误差纠正和双腿轨迹误差纠正；

针对肌力控制策略②：对四个电机均进行恒定助力补偿，使外骨骼机器人自由行走；

针对肌力控制策略③：对四个电机均进行跟踪轨迹误差纠正；

针对肌力控制策略④：对左腿两个电机均进行恒定助力补偿，基于左腿的实际轨迹获得右腿镜像轨迹，对右腿两个电机均进行镜像轨迹误差纠正；

针对肌力控制策略⑤：对右腿两个电机均进行恒定助力补偿，基于右腿的实际轨迹获得左腿镜像轨迹，对左腿两个电机均进行镜像轨迹误差纠正；

针对肌力控制策略⑥：对四个电机均进行双腿轨迹误差纠正；

针对肌力控制策略⑦：基于右腿的实际轨迹获得左腿镜像轨迹，对左腿两个电机均进行镜像轨迹误差纠正；

针对肌力控制策略⑧：基于左腿的实际轨迹获得右腿镜像轨迹，对右腿两个电机均进行镜像轨迹误差纠正。

具体的，所述跟踪轨迹误差纠正，是根据双腿实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算四个电机的矫正力矩值，使用矫正力矩值纠正电机的输出力矩值；矫正力矩=K×位置误差+D×速度误差，位置误差=实际位置-理论位置，速度误差=实际速度-理论速度，K、D为经验常数。

具体的，所述双腿轨迹误差纠正，是根据双腿实际位置、速度与参考位置、速度的误差，计算四个电机的偏差力矩值，使用偏差力矩值纠正电机的输出力矩值；偏差力矩=M×位置偏差+N×速度偏差，位置偏差=实际位置-参考位置，速度偏差=实际速度-参考速度，M、N为经验常数。

具体的，所述恒定助力补偿，是对电机上连接的关节连杆进行重力和摩擦力补偿，使用恒定助力补偿值纠正电机的输出力矩值；恒定助力补偿值=关节连杆的重力力矩+关节连杆的摩擦力矩。

具体的，所述肌力矫正模块中，针对不同肌力控制策略，四个电机的输出力矩值分别为：

针对肌力控制策略①：先根据理论轨迹，计算四个电机的理论力矩值；再根据双腿实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算四个电机的矫正力矩值；接着，根据双腿实际位置、速度与参考位置、速度的误差，计算四个电机的偏差力矩值；最后，分别计算四个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值+偏差力矩值；

针对肌力控制策略②：对外骨骼机器人自身的重力和摩擦力进行补偿，先根据理论位置、速度计算四个电机的恒定助力补偿值；再分别计算四个电机的输出力矩值：输出力矩值=恒定助力补偿值；

针对肌力控制策略③：先根据理论轨迹，计算四个电机的理论力矩值；再根据双腿实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算四个电机的矫正力矩值；最后，分别计算四个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值；

针对肌力控制策略④：先根据理论轨迹，计算右腿两个电机的理论力矩值；再根据理论位置、速度计算左腿两个电机的恒定助力补偿值；接着，根据左腿的脚踝中心的实际轨迹、步长、步高、单步时间对右腿的理论轨迹进行调整，采用镜像方法规划与左腿的实际轨迹相吻合的右腿的理论轨迹（矫正右腿的理论轨迹）；然后，根据右腿的实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算右腿两个电机的矫正力矩值；最后，分别计算左腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=恒定助力补偿值；分别计算右腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值；

针对肌力控制策略⑤：先根据理论轨迹，计算左腿两个电机的理论力矩值；再根据理论位置、速度计算右腿两个电机的恒定助力补偿值；接着，根据左腿的脚踝中心的实际轨迹、步长、步高、单步时间对左腿的理论轨迹进行调整，采用镜像方法规划与右腿的实际轨迹相吻合的左腿的理论轨迹（矫正左腿的理论轨迹）；然后，计算左腿的实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算左腿两个电机的矫正力矩值；最后，分别计算右腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=恒定助力补偿值；分别计算左腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值；

针对肌力控制策略⑥：先根据双腿实际位置、速度与参考位置、速度的误差，计算四个电机的偏差力矩值；再分别计算四个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+偏差力矩值；

针对肌力控制策略⑦：先根据右腿的脚踝中心的实际轨迹、步长、步高、单步时间对左腿的理论轨迹进行调整，采用镜像方法规划与右腿的实际轨迹相吻合的左腿的理论轨迹（矫正左腿的理论轨迹）；再根据左腿的实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算左腿两个电机的矫正力矩值；接着，根据理论位置、速度计算右腿两个电机的恒定助力补偿值；最后，分别计算右腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=恒定助力补偿值；分别计算左腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值；

针对肌力控制策略⑧：先根据左腿的脚踝中心的实际轨迹、步长、步高、单步时间对右腿的理论轨迹进行调整，采用镜像方法规划与左腿的实际轨迹相吻合的右腿的理论轨迹（矫正右腿的理论轨迹）；再根据右腿的实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算右腿两个电机的矫正力矩值；接着，根据理论位置、速度计算左腿两个电机的恒定助力补偿值；最后，分别计算左腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=恒定助力补偿值；分别计算右腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值；

其中：实际位置、速度为根据实际轨迹计算出的位置、速度；理论位置、速度为根据理论轨迹计算出的位置、速度；参考位置、速度为根据参考轨迹计算出的位置、速度。

具体的，矫正力矩=K×位置误差+D×速度误差；偏差力矩=M×位置偏差+N×速度偏差；位置误差=实际位置-理论位置；速度误差=实际速度-理论速度；位置偏差=实际位置-参考位置；速度偏差=实际速度-参考速度；K、D、M、N为经验常数；恒定助力补偿值=关节连杆的重力力矩+关节连杆的摩擦力矩。

具体的，所述步态协调控制模块根据初始步态参数计算初始步伐的理论轨迹，根据初始肌力参数对应的肌力控制策略对初始步伐的理论轨迹的速度和加速度进行计算得到下一步伐的理论轨迹；在初始步伐走完时，根据实时步态参数计算实时理论轨迹，对实时理论轨迹进行镜像得到下一步伐的理论轨迹，对理论轨迹进行适应患者实际步态的缩放处理，得到参考轨迹。

具体的，采用步态镜像模块生成下一步伐的理论轨迹和参考轨迹，步态镜像模块包括理论轨迹生成器和理论轨迹矫正器，包括如下步骤：

（1）理论轨迹生成器根据初始步态参数计算初始步伐的理论轨迹；

（2）患者穿戴外骨骼机器人的主动腿迈出第一步时，传感器信号采集与预处理模块对主动腿进行信息采集，理论轨迹生成器获取实时步态参数、单步时间，再结合肌力控制策略④、⑤、⑦、⑧对被动腿的理论轨迹进行规划，得到被动腿的理论轨迹；

（3）理论轨迹生成器对理论轨迹进行动力学方程计算，得到理论位置、速度；

（4）根据肌力控制策略⑥进行双腿补偿调节一致化处理，得到矫正后的左髋、左膝、右髋、右膝的有效活动范围、单步时间信息；

（5）理论轨迹矫正器根据矫正后的左髋、左膝、右髋、右膝的有效活动范围、单步时间信息对被动腿的理论轨迹进行适应患者实际步态的缩放处理，得到被动腿的参考轨迹；

（6）理论轨迹矫正器对参考轨迹进行动力学方程计算，得到参考位置、速度；

（7）对实际踝关节空间曲线数据与参考踝关节空间曲线数据进行曲线均方差计算，根据计算结果确定肌力参数的修订值，肌力参数处理模块根据修订值更新肌力参数。

具体的，所述传感器信号采集与预处理模块采集四个电机的编码器数据，经过数据处理得到位置、速度、加速度信息；结合人体步态生理特征分析，得到一个步态周期的步态参数，包括步长、步高、脚踝中心的实际轨迹、单步时间信息。

具体的，所述电机为直流伺服电机。

具体的，所述外骨骼机器人是主要由左髋、左膝、右髋、右膝四个直流伺服电机，及其对应的编码器、谐波减速机构、绑带固连件和关节连杆构成的机械电子动力系统。

具体的，所述人机交互界面，包括患者使用界面和治疗师使用界面，两个界面的操作权限不同。

有益效果：本发明提供的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，与现有技术相比具有如下优势：1、本发明采用了双下肢肌力补偿机制，它可以有效根据双下肢肌力损失情况，采用不同的力矩补偿控制策略，促进患者进行力矩输出模式下自然行走；2、本发明采用了步态镜像调节机制，它可以有效根据患者在行走过程中的行为进行动态肌力调节，保证各类肌力缺损情况下的行走协调性。3、本发明采用了专有的肌力矫正机制，它可以根据肌力控制策略的不同，对患者行走提供不同的阻抗控制策略，更有效发挥患者行走的主观性能。

附图说明

图1为本发明的整体框架结构示意图。

图2为肌力参数处理模块内部流程示意图图。

图3为肌力矫正模块内部流程示意图图。

图4为步态协调控制模块内部流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

一种基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，通过对双下肢的肌力补偿和步态镜像调节机制在线调整行走时的肌力控制策略，使患者在发挥主观意识进行行走的情况下，能有效协调双腿的镜像运动，促进大脑运动机制的康复，并通过肌力的渐进式康复过程，有效提高患者的步态康复训练效果。

如图1所示，该控制器的控制对象为外骨骼机器人，外骨骼机器人是主要由左髋、左膝、右髋、右膝四个直流伺服电机，及其对应的编码器、谐波减速机构、绑带固连件和关节连杆构成的机械电子动力系统，通过传感器信号采集与预处理模块采集四个电机的编码器数据，经过数据处理得到位置、速度、加速度信息；该控制器包括人机交互界面、肌力参数处理模块、步态协调控制模块和肌力矫正模块，控制器还能够对结合人体步态生理特征分析，得到一个步态周期的步态参数，包括步长、步高、脚踝中心的实际轨迹、单步时间信息。下面就控制器的各个组成部分加以具体说明。

一、人机交互界面

人机交互界面，用于设定初始步态参数和初始肌力参数，包括患者使用界面和治疗师使用界面，两个界面的操作权限不同，治疗师和患者通过人机交互界面来选择行走时的参数。

二、肌力参数处理模块

肌力参数处理模块，根据双腿肌力的匹配度，结合初始肌力参数或实时肌力参数，为外骨骼机器人设定肌力控制策略，肌力控制策略涉及肌力补偿控制和步态镜像调节。

双腿肌力的匹配度=|左腿肌力-右腿肌力|/肌力量程，对应匹配度的肌力控制策略为：

肌力控制策略①：匹配度=0，且左腿肌力=右腿肌力=0；则肌力矫正时，左腿阻抗=右腿阻抗=满量程；

肌力控制策略②：匹配度=0，且左腿肌力=右腿肌力=满量程；则肌力矫正时，左腿阻抗=右腿阻抗=0；

肌力控制策略③：匹配度=0，且左腿肌力=右腿肌力∈(0,满量程)；则肌力矫正时，左腿阻抗=右腿阻抗；

肌力控制策略④：匹配度=(0,0.5)，且左腿肌力＞右腿肌力；则左腿采用主动调节策略，右腿采用被动调节策略，肌力矫正时，左腿为主动调节，右腿为被动调节，基于左腿的实际轨迹计算右腿的理论轨迹；

肌力控制策略⑤：匹配度=(0,0.5)，且左腿肌力＜右腿肌力；则左腿采用被动调节策略，右腿采用主动调节策略，肌力矫正时，左腿为被动调节，右腿为主动调节，基于右腿的实际轨迹计算左腿的理论轨迹；

肌力控制策略⑥：匹配度=[0.5,1)；则肌力矫正时，进行双腿补偿调节一致化处理，即对双腿的差异值取中间值，得到矫正后的左髋、左膝、右髋、右膝的有效活动范围、单步时间信息；

肌力控制策略⑦：匹配度=1，且左腿肌力=0；则肌力矫正时，左腿阻抗=满量程，右腿阻抗=0；

肌力控制策略⑧：匹配度=1，且右腿肌力=0；则肌力矫正时，左腿阻抗=0，右腿肌力=满量程。

肌力参数处理模块将选择出的肌力控制策略发送至步态协调控制模块和肌力矫正模块进行进一步的处理。

三、步态协调控制模块

步态协调控制模块，根据初始步态参数计算初始步伐的理论轨迹，根据初始肌力参数对应的肌力控制策略对初始部分理论轨迹的速度和加速度进行计算得到下一步伐的理论轨迹；根据传感器信号采集与预处理模块得到的实时步态参数计算实时理论轨迹，根据实时肌力参数对应的肌力控制策略对实时理论轨迹的速度和加速度进行计算得到下一步伐的理论轨迹。

在初始步伐走完时，根据实时步态参数计算实时理论轨迹，对实时理论轨迹进行镜像调整，得到下一步伐的理论轨迹；采用步态镜像模块生成下一步伐的理论轨迹和参考轨迹，步态镜像模块包括理论轨迹生成器和理论轨迹矫正器，包括如下步骤：

（1）理论轨迹生成器根据初始步态参数计算初始步伐的理论轨迹；

（2）患者穿戴外骨骼机器人的主动腿迈出第一步时，传感器信号采集与预处理模块对主动腿进行信息采集，理论轨迹生成器获取实时步态参数、单步时间，再结合肌力控制策略④、⑤、⑦、⑧对被动腿的理论轨迹进行规划，得到被动腿的理论轨迹；

（3）理论轨迹生成器对理论轨迹进行动力学方程计算，得到理论位置、速度；

（4）根据肌力控制策略⑥进行双腿补偿调节一致化处理，得到矫正后的左髋、左膝、右髋、右膝的有效活动范围、单步时间信息；

（5）理论轨迹矫正器根据矫正后的左髋、左膝、右髋、右膝的有效活动范围、单步时间信息对被动腿的理论轨迹进行适应患者实际步态的缩放处理，得到被动腿的参考轨迹；

（6）理论轨迹矫正器对参考轨迹进行动力学方程计算，得到参考位置、速度；

（7）对实际踝关节空间曲线数据与参考踝关节空间曲线数据进行曲线均方差计算，根据计算结果确定肌力参数的修订值，肌力参数处理模块根据修订值更新肌力参数。

四、肌力矫正模块

肌力矫正模块，根据步态协调控制模块输出的理论轨迹和肌力参数处理模块输出的肌力控制策略，计算四个电机的输出力矩值并交由四个电机执行。针对不同肌力控制策略，四个电机的输出力矩值分别为：

针对肌力控制策略①：先根据理论轨迹，计算四个电机的理论力矩值；再根据双腿实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算四个电机的矫正力矩值；接着，根据双腿实际位置、速度与参考位置、速度的误差，计算四个电机的偏差力矩值；最后，分别计算四个电机的输出力矩值：

输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值+偏差力矩值

针对肌力控制策略②：对外骨骼机器人自身的重力和摩擦力进行补偿，先根据理论位置、速度计算四个电机的恒定助力补偿值；再分别计算四个电机的输出力矩值：

输出力矩值=恒定助力补偿值

针对肌力控制策略③：先根据理论轨迹，计算四个电机的理论力矩值；再根据双腿实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算四个电机的矫正力矩值；最后，分别计算四个电机的输出力矩值：

输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值

针对肌力控制策略④：先根据理论轨迹，计算右腿两个电机的理论力矩值；再根据理论位置、速度计算左腿两个电机的恒定助力补偿值；接着，根据左腿的脚踝中心的实际轨迹、步长、步高、单步时间对右腿的理论轨迹进行调整，采用镜像方法规划与左腿的实际轨迹相吻合的右腿的理论轨迹（矫正右腿的理论轨迹）；然后，根据右腿的实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算右腿两个电机的矫正力矩值；最后，分别计算四个电机的输出力矩值：

左腿两个电机：输出力矩值=恒定助力补偿值

右腿两个电机：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值

针对肌力控制策略⑤：先根据理论轨迹，计算左腿两个电机的理论力矩值；再根据理论位置、速度计算右腿两个电机的恒定助力补偿值；接着，根据左腿的脚踝中心的实际轨迹、步长、步高、单步时间对左腿的理论轨迹进行调整，采用镜像方法规划与右腿的实际轨迹相吻合的左腿的理论轨迹（矫正左腿的理论轨迹）；然后，计算左腿的实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算左腿两个电机的矫正力矩值；最后，分别计算四个电机的输出力矩值：

右腿两个电机：输出力矩值=恒定助力补偿值

左腿两个电机：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值

针对肌力控制策略⑥：先根据双腿实际位置、速度与参考位置、速度的误差，计算四个电机的偏差力矩值；再分别计算四个电机的输出力矩值：

输出力矩值=理论力矩值+偏差力矩值；

针对肌力控制策略⑦：先根据右腿的脚踝中心的实际轨迹、步长、步高、单步时间对左腿的理论轨迹进行调整，采用镜像方法规划与右腿的实际轨迹相吻合的左腿的理论轨迹（矫正左腿的理论轨迹）；再根据左腿的实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算左腿两个电机的矫正力矩值；接着，根据理论位置、速度计算右腿两个电机的恒定助力补偿值；最后，计算四个电机的输出力矩值：

右腿两个电机：输出力矩值=恒定助力补偿值

左腿两个电机：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值

针对肌力控制策略⑧：先根据左腿的脚踝中心的实际轨迹、步长、步高、单步时间对右腿的理论轨迹进行调整，采用镜像方法规划与左腿的实际轨迹相吻合的右腿的理论轨迹（矫正右腿的理论轨迹）；再根据右腿的实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算右腿两个电机的矫正力矩值；接着，根据理论位置、速度计算左腿两个电机的恒定助力补偿值；最后，计算四个电机的输出力矩值：

左腿两个电机：输出力矩值=恒定助力补偿值

右腿两个电机：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值

其中：实际位置、速度为根据实际轨迹计算出的位置、速度；理论位置、速度为根据理论轨迹计算出的位置、速度；参考位置、速度为根据参考轨迹计算出的位置、速度。

其中：矫正力矩=K×位置误差+D×速度误差；偏差力矩=M×位置偏差+N×速度偏差；位置误差=实际位置-理论位置；速度误差=实际速度-理论速度；位置偏差=实际位置-参考位置；速度偏差=实际速度-参考速度；K、D、M、N为经验常数；恒定助力补偿值=关节连杆的重力力矩+关节连杆的摩擦力矩。

本案中，控制器首先接收人机交互界面传来的初始步态参数和初始肌力参数，通过肌力参数处理模块制定初始肌力控制策略，并根据步态协调控制模块反馈的理论轨迹调整肌力控制策略，肌力矫正模块基于肌力控制策略和实时肌力参数计算电机的输出力矩值；通过传感器信号采集与处理模块对电机的位置编码器传来的位置数据进行解析计算得到电机的速度和加速度，肌力矫正模块利用人体生理步态特征获得单步时间和步态参数供步态协调控制模块进行处理；通过肌力矫正模块将肌力控制策略和矫正后的理论轨迹进行整合处理，得到双腿髋、膝关节的输出力矩；通过步态协调控制模块，对人机交互界面预设的初始步态参数进行处理，得到初始行走的理论轨迹，且在行走过程中对双下肢存在明显肌力差异的双腿进行在线协调处理并通过多步的调校，使双腿得到行走时在线调整的肌力调整策略。本案针对患者双下肢肌力不同情况，设计不同的肌力补偿策略，通过步态参数的分析处理，对肌力控制策略进行在线调整，能够有效补偿双侧的肌力损失，使双腿能接近自然行走，满足各类患者的运动康复需求，实现运动康复目标。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.一种基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：该控制器的控制对象为外骨骼机器人，外骨骼机器人是主要由左髋、左膝、右髋、右膝四个电机及其对应的关节连杆构成的机械电子动力系统，通过传感器信号采集与预处理模块采集四个电机的位置信号；该控制器包括人机交互界面、肌力参数处理模块、步态协调控制模块和肌力矫正模块；

所述人机交互界面，用于设定初始步态参数和初始肌力参数；

所述肌力参数处理模块，根据左腿肌力和右腿肌力的相对关系，结合初始肌力参数或实时肌力参数，为外骨骼机器人设定肌力控制策略，所述肌力控制策略涉及肌力补偿控制和步态镜像调节；

所述步态协调控制模块，根据初始步态参数计算初始步伐的理论轨迹，根据初始肌力参数对应的肌力控制策略对初始步伐的理论轨迹的速度和加速度进行计算得到下一步伐的理论轨迹；根据传感器信号采集与预处理模块得到的实时步态参数计算实时理论轨迹，根据实时肌力参数对应的肌力控制策略对实时理论轨迹的速度和加速度进行计算得到下一步伐的理论轨迹；

所述肌力矫正模块，根据步态协调控制模块输出的理论轨迹和肌力参数处理模块输出的肌力控制策略，计算四个电机的输出力矩值并交由四个电机执行。

2.根据权利要求1所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：所述肌力参数处理模块中，根据双腿肌力的匹配度，结合初始肌力参数或实时肌力参数，为外骨骼机器人设定肌力控制策略；双腿肌力的匹配度=|左腿肌力-右腿肌力|/肌力量程，设定策略调整阈值为δ，对应匹配度的肌力控制策略为：

肌力控制策略①：匹配度=0，且左腿肌力=右腿肌力=0；则肌力矫正时，左腿阻抗=右腿阻抗=满量程；

肌力控制策略②：匹配度=0，且左腿肌力=右腿肌力=满量程；则肌力矫正时，左腿阻抗=右腿阻抗=0；

肌力控制策略③：匹配度=0，且左腿肌力=右腿肌力∈(0,满量程)；则肌力矫正时，左腿阻抗=右腿阻抗；

肌力控制策略④：匹配度=(0,δ)，且左腿肌力＞右腿肌力；则左腿采用主动调节策略，右腿采用被动调节策略，肌力矫正时，左腿为主动调节，右腿为被动调节，基于左腿的实际轨迹计算右腿的理论轨迹；

肌力控制策略⑤：匹配度=(0,δ)，且左腿肌力＜右腿肌力；则左腿采用被动调节策略，右腿采用主动调节策略，肌力矫正时，左腿为被动调节，右腿为主动调节，基于右腿的实际轨迹计算左腿的理论轨迹；

肌力控制策略⑥：匹配度=[δ,1)；则肌力矫正时，进行双腿补偿调节一致化处理；

肌力控制策略⑦：匹配度=1，且左腿肌力=0；则肌力矫正时，左腿阻抗=满量程，右腿阻抗=0；

肌力控制策略⑧：匹配度=1，且右腿肌力=0；则肌力矫正时，左腿阻抗=0，右腿肌力=满量程。

3.根据权利要求2所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：所述策略调整阈值δ的取值为0.5。

4.根据权利要求2所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：所述双腿补偿调节一致化处理，即对双腿的差异值取中间值，得到矫正后的左髋、左膝、右髋、右膝的有效活动范围、单步时间信息。

5.根据权利要求2所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：所述肌力矫正模块中，针对不同肌力控制策略，对四个电机的矫正策略为：

针对肌力控制策略①：对四个电机均进行跟踪轨迹误差纠正和双腿轨迹误差纠正；

针对肌力控制策略②：对四个电机均进行恒定助力补偿，使外骨骼机器人自由行走；

针对肌力控制策略③：对四个电机均进行跟踪轨迹误差纠正；

针对肌力控制策略④：对左腿两个电机均进行恒定助力补偿，基于左腿的实际轨迹获得右腿镜像轨迹，对右腿两个电机均进行镜像轨迹误差纠正；

针对肌力控制策略⑤：对右腿两个电机均进行恒定助力补偿，基于右腿的实际轨迹获得左腿镜像轨迹，对左腿两个电机均进行镜像轨迹误差纠正；

针对肌力控制策略⑥：对四个电机均进行双腿轨迹误差纠正；

针对肌力控制策略⑦：基于右腿的实际轨迹获得左腿镜像轨迹，对左腿两个电机均进行镜像轨迹误差纠正；

针对肌力控制策略⑧：基于左腿的实际轨迹获得右腿镜像轨迹，对右腿两个电机均进行镜像轨迹误差纠正。

6.根据权利要求5所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：所述跟踪轨迹误差纠正，是根据双腿实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算四个电机的矫正力矩值，使用矫正力矩值纠正电机的输出力矩值；矫正力矩=K×位置误差+D×速度误差，位置误差=实际位置-理论位置，速度误差=实际速度-理论速度，K、D为经验常数。

7.根据权利要求5所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：所述双腿轨迹误差纠正，是根据双腿实际位置、速度与参考位置、速度的误差，计算四个电机的偏差力矩值，使用偏差力矩值纠正电机的输出力矩值；偏差力矩=M×位置偏差+N×速度偏差，位置偏差=实际位置-参考位置，速度偏差=实际速度-参考速度，M、N为经验常数。

8.根据权利要求5所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：所述恒定助力补偿，是对电机上连接的关节连杆进行重力和摩擦力补偿，使用恒定助力补偿值纠正电机的输出力矩值；恒定助力补偿值=关节连杆的重力力矩+关节连杆的摩擦力矩。

9.根据权利要求2所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：所述肌力矫正模块中，针对不同肌力控制策略，四个电机的输出力矩值分别为：

针对肌力控制策略①：先根据理论轨迹，计算四个电机的理论力矩值；再根据双腿实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算四个电机的矫正力矩值；接着，根据双腿实际位置、速度与参考位置、速度的误差，计算四个电机的偏差力矩值；最后，分别计算四个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值+偏差力矩值；

针对肌力控制策略②：对外骨骼机器人自身的重力和摩擦力进行补偿，先根据理论位置、速度计算四个电机的恒定助力补偿值；再分别计算四个电机的输出力矩值：输出力矩值=恒定助力补偿值；

针对肌力控制策略③：先根据理论轨迹，计算四个电机的理论力矩值；再根据双腿实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算四个电机的矫正力矩值；最后，分别计算四个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值；

针对肌力控制策略④：先根据理论轨迹，计算右腿两个电机的理论力矩值；再根据理论位置、速度计算左腿两个电机的恒定助力补偿值；接着，根据左腿的脚踝中心的实际轨迹、步长、步高、单步时间对右腿的理论轨迹进行调整，采用镜像方法规划与左腿的实际轨迹相吻合的右腿的理论轨迹；然后，根据右腿的实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算右腿两个电机的矫正力矩值；最后，分别计算左腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=恒定助力补偿值；分别计算右腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值；

针对肌力控制策略⑤：先根据理论轨迹，计算左腿两个电机的理论力矩值；再根据理论位置、速度计算右腿两个电机的恒定助力补偿值；接着，根据左腿的脚踝中心的实际轨迹、步长、步高、单步时间对左腿的理论轨迹进行调整，采用镜像方法规划与右腿的实际轨迹相吻合的左腿的理论轨迹；然后，计算左腿的实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算左腿两个电机的矫正力矩值；最后，分别计算右腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=恒定助力补偿值；分别计算左腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值；

针对肌力控制策略⑥：先根据双腿实际位置、速度与参考位置、速度的误差，计算四个电机的偏差力矩值；再分别计算四个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+偏差力矩值；

针对肌力控制策略⑦：先根据右腿的脚踝中心的实际轨迹、步长、步高、单步时间对左腿的理论轨迹进行调整，采用镜像方法规划与右腿的实际轨迹相吻合的左腿的理论轨迹；再根据左腿的实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算左腿两个电机的矫正力矩值；接着，根据理论位置、速度计算右腿两个电机的恒定助力补偿值；最后，分别计算右腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=恒定助力补偿值；分别计算左腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值；

针对肌力控制策略⑧：先根据左腿的脚踝中心的实际轨迹、步长、步高、单步时间对右腿的理论轨迹进行调整，采用镜像方法规划与左腿的实际轨迹相吻合的右腿的理论轨迹；再根据右腿的实际位置、速度与理论位置、速度的误差，计算右腿两个电机的矫正力矩值；接着，根据理论位置、速度计算左腿两个电机的恒定助力补偿值；最后，分别计算左腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=恒定助力补偿值；分别计算右腿两个电机的输出力矩值：输出力矩值=理论力矩值+矫正力矩值；

其中：实际位置、速度为根据实际轨迹计算出的位置、速度；理论位置、速度为根据理论轨迹计算出的位置、速度；参考位置、速度为根据参考轨迹计算出的位置、速度。

10.根据权利要求9所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：矫正力矩=K×位置误差+D×速度误差；偏差力矩=M×位置偏差+N×速度偏差；位置误差=实际位置-理论位置；速度误差=实际速度-理论速度；位置偏差=实际位置-参考位置；速度偏差=实际速度-参考速度；K、D、M、N为经验常数；恒定助力补偿值=关节连杆的重力力矩+关节连杆的摩擦力矩。

11.根据权利要求2所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：所述步态协调控制模块，根据初始步态参数计算初始步伐的理论轨迹，根据初始肌力参数对应的肌力控制策略对初始步伐的理论轨迹的速度和加速度进行计算得到下一步伐的理论轨迹；在初始步伐走完时，根据实时步态参数计算实时理论轨迹，对实时理论轨迹进行镜像得到下一步伐的理论轨迹，对理论轨迹进行适应患者实际步态的缩放处理，得到参考轨迹。

12.根据权利要求11所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：采用步态镜像模块生成下一步伐的理论轨迹和参考轨迹，步态镜像模块包括理论轨迹生成器和理论轨迹矫正器，包括如下步骤：

（1）理论轨迹生成器根据初始步态参数计算初始步伐的理论轨迹；

（2）患者穿戴外骨骼机器人的主动腿迈出第一步时，传感器信号采集与预处理模块对主动腿进行信息采集，理论轨迹生成器获取实时步态参数、单步时间，再结合肌力控制策略④、⑤、⑦、⑧对被动腿的理论轨迹进行规划，得到被动腿的理论轨迹；

（3）理论轨迹生成器对理论轨迹进行动力学方程计算，得到理论位置、速度；

（4）根据肌力控制策略⑥进行双腿补偿调节一致化处理，得到矫正后的左髋、左膝、右髋、右膝的有效活动范围、单步时间信息；

（5）理论轨迹矫正器根据矫正后的左髋、左膝、右髋、右膝的有效活动范围、单步时间信息对被动腿的理论轨迹进行适应患者实际步态的缩放处理，得到被动腿的参考轨迹；

（6）理论轨迹矫正器对参考轨迹进行动力学方程计算，得到参考位置、速度；

（7）对实际踝关节空间曲线数据与参考踝关节空间曲线数据进行曲线均方差计算，根据计算结果确定肌力参数的修订值，肌力参数处理模块根据修订值更新肌力参数。

13.根据权利要求1所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：所述传感器信号采集与预处理模块采集四个电机的编码器数据，经过数据处理得到位置、速度、加速度信息；结合人体步态生理特征分析，得到一个步态周期的步态参数，包括步长、步高、脚踝中心的实际轨迹、单步时间信息。

14.根据权利要求1所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：所述电机为直流伺服电机。

15.根据权利要求1所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：所述外骨骼机器人是主要由左髋、左膝、右髋、右膝四个直流伺服电机，及其对应的编码器、谐波减速机构、绑带固连件和关节连杆构成的机械电子动力系统。

16.根据权利要求1所述的基于外骨骼机器人双下肢肌力补偿及步态镜像调节机制的控制器，其特征在于：所述人机交互界面，包括患者使用界面和治疗师使用界面，两个界面的操作权限不同。

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