面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法、装置及可穿戴踝关节外骨骼

本发明属于可穿戴踝关节外骨骼，尤其涉及一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法、装置及可穿戴踝关节外骨骼。

背景技术：

1、可穿戴踝关节助力装置是一种结合生物力学与智能控制技术的穿戴设备，旨在通过辅助脚踝运动来降低行走能耗、提升运动表现或辅助康复。现有可穿戴踝关节助力装置主要通过电机、卷线轮或绳索传动向踝关节施加跖屈助力。可穿戴踝关节助力装置的控制器通常依据足底压力、惯性测量单元或编码器检测步态事件，生成预设的相位相关转矩曲线、力曲线或位移曲线，并由底层电机控制环跟踪各个曲线。

2、如申请号为cn202610433979.4的发明专利公开了“一种踝关节外骨骼机器人控制方法”，该控制方法采集关节实际与期望角度计算误差构建性能指标；其次基于自耦pid特征计算指标对速度因子的梯度；然后将梯度输入adam优化器在线计算速度因子更新量；最后代入控制律得出柔性外骨骼输出力矩。

3、采用上述方法，虽然其能够在线自适应整定控制参数、高效克服非线性时变扰动，但是，其存在以下问题：

4、其虽然利用adam优化器的一阶与二阶矩估计特性，在突变扰动下，可将最大动态峰值偏差降低约56.4%，但是，仅利用adam优化器的一阶与二阶矩估计特性，其仍可能产生过大的转矩变化率，产生执行器无法实现的尖峰或突变。

5、其扭矩控制误差和相位适应性还有待提升。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在产生执行器无法执行的尖峰、扭矩控制误差大和相位适应性差的问题，本发明提供一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法、装置及可穿戴踝关节外骨骼。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、本发明第一方面提供一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法，包括以下步骤：

4、根据步幅时长估计值和最近一次足跟着地事件的时间戳计算得到当前采样时刻t的估计步态相位；

5、根据所述步幅时长估计值、估计步态相位生成踝关节的期望角度、期望角速度及期望角加速度；

6、获取踝关节的的实时角度和实时角速度，并根据期望角度和实时角度计算角度跟踪误差，根据期望角速度和实时角速度计算角速度跟踪误差；

7、将所述角度跟踪误差、角速度跟踪误差和期望角加速度输入连续阻抗支路模型中，得到当前采样时刻的连续阻抗转矩，所述连续阻抗支路模型为：

8、，

9、式中，为等效刚度增益，单位为；为等效阻尼增益，单位为；为惯性前馈系数，单位为；当前采样时刻的连续阻抗转矩的单位为；角度跟踪误差的单位为；角速度跟踪误差的单位为；期望角加速度的单位为；

10、根据估计步态相位、脉冲起始相位和脉冲宽度判断当前采样时刻是否在目标助力窗口内，响应于当前采样时刻在目标助力窗口内，根据脉冲幅值、脉冲起始相位和脉冲宽度生成脉冲转矩；

11、将所述连续阻抗转矩和所述脉冲转矩合成得到期望助力转矩；

12、对所述期望助力转矩进行幅值约束和转矩变化率约束，得到实际助力转矩。

13、本发明第二方面提供一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制装置，包括依次通信连接的存储器和控制器，所述存储器上存储有计算机程序，所述控制器用于读取所述计算机程序，执行第一方面中所述的一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法。

14、本发明第三方面提供可穿戴踝关节外骨骼，包括足底压力传感器、惯性测量单元、小腿穿戴组件、踝部穿戴组件、执行器组件、用于将所述执行器组件产生的驱动力传递至小腿穿戴组件、踝部穿戴组件的柔性传动线缆和控制器，所述足底压力传感器、惯性测量单元、执行器组件均与所述控制器信号连接，所述控制器为第二方面中所述的一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制装置。

15、本发明的有益效果：

16、本发明基于连续阻抗支路模型输出的连续阻抗转矩和脉冲转矩生成期望助力转矩，既保留全周期误差调节和阻尼，又在目标推蹬阶段集中输出正功，提高扭矩控制精度和相位适应性。

17、本发明脉冲转矩仅在目标助力窗口内才启用，当估计步态相位位于该区间之外时，脉冲支路输出为零，从而避免局部助力超出目标步态阶段。

18、本发明通过对期望助力转矩进行幅值约束和转矩变化率约束后再输出，最终实际转矩满足所述幅值和变化率边界，避免产生过大的转矩变化率和执行器无法实现的尖峰或突变。

1.一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法，其特征在于，所述根据估计步态相位、脉冲起始相位和脉冲宽度判断当前采样时刻是否在目标助力窗口内，之后还包括：

3.根据权利要求1所述的一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法，其特征在于，所述根据脉冲幅值、脉冲起始相位和脉冲宽度生成脉冲转矩为：

4.根据权利要求1所述的一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法，其特征在于，所述对所述期望助力转矩进行幅值约束和转矩变化率约束，包括：

5.根据权利要求4所述的一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法，其特征在于，所述得到实际助力转矩，之后还包括：

6.根据权利要求5所述的一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法，其特征在于，所述根据该已完成的步态周期内的角度跟踪误差、角速度跟踪误差、脉冲起始相位、脉冲宽度、实际助力转矩、实际助力转矩变化率、期望助力转矩和实时角速度计算得到步态诊断特征，包括：

7.根据权利要求6所述的一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法，其特征在于，所述基于所述学习状态和诊断代价对所述参数向量进行更新，包括：

8.根据权利要求7所述的一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法，其特征在于，所述对所述步态诊断特征和参数向量进行归一化处理后计算得到诊断代价和学习状态，包括：

9.一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制装置，包括依次通信连接的存储器和控制器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于：所述控制器用于读取所述计算机程序，执行权利要求1-8任一所述的一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制方法。

10.一种可穿戴踝关节外骨骼，包括足底压力传感器、惯性测量单元、用于获取踝关节实时角度和实时角速度的运动状态采集单元、小腿穿戴组件、踝部穿戴组件、执行器组件、用于将所述执行器组件产生的驱动力传递至小腿穿戴组件、踝部穿戴组件的柔性传动线缆和控制器，所述足底压力传感器、所述惯性测量单元、所述运动状态采集单元和所述执行器组件均与所述控制器信号连接，其特征在于，所述控制器为权利要求9所述的一种面向可穿戴踝关节外骨骼的控制装置。