一种助力外骨骼自适应控制方法和装置与流程

1.本发明涉及可穿戴机器人领域，具体涉及一种助力外骨骼自适应控制方法和装置。


背景技术：

2.随着社会老龄化程度的加剧，用于老年人日常辅助的服务机器人得到越来越多的应用。其中，可穿戴式助力外骨骼设备是通过穿戴于身体外部的机器人装置为穿戴者肢体提供助力，以辅助穿戴者更方便地完成日常生活。此外，由于偏瘫、中风等疾病因素引起行动障碍患者，在康复过程中也需要依靠此类自动化的辅助设备进行训练。
3.现有技术中，助力外骨骼的控制技术主要以位置控制为主，即以外骨骼以预先规划和编程好的轨迹运动，该技术通常按照意图识别、步态识别、运动控制的顺序进行，使用该助力外骨骼的用户需要按照助力外骨骼设定好的轨迹运动，导致用户缓慢、效率低，而对于有行动能力的用户来说，会严重限制用户自主运动的自由，智能化程度较低。
4.由于现有的助力外骨骼及其相应控制技术的智能化程度比较低，导致难以适应复杂的日常生活场景，如在不规则步态或上下楼梯等多场景下，使用助力外骨骼时仍需要用户手动参与调节，影响用户的日常生活，导致用户的使用体验差。


技术实现要素：

5.本发明提供一种助力外骨骼自适应控制方法和装置，以解决现有技术中，使用助力外骨骼时需要用户手动参与调节导致使用体验差的问题。
6.一种助力外骨骼自适应控制方法，包括：
7.检测并记录各时间节点的实时髋关节角度；
8.根据前后时间节点的所述实时髋关节角度计算髋关节的变化角度；
9.根据所述实时髋关节角度确定所述助力外骨骼的自适应参数；
10.根据所述变化角度和所述自适应参数生成实时的扭矩指令；
11.根据所述扭矩指令驱动相应关节。
12.进一步地，所述根据所述实时髋关节角度确定所述助力外骨骼的自适应参数，包括：
13.根据所述实时髋关节角度确定所述用户的步行频率；
14.根据所述步行频率和预设自适应参数数据确定所述自适应参数，所述预设自适应参数数据为根据试验获取的不同所述步行频率下的自适应参数数据。
15.进一步地，所述根据所述变化角度和所述自适应参数生成实时的扭矩指令，包括：
16.将所述变化角度进行平滑处理，获得平滑角度值；
17.根据所述平滑角度值和所述自适应参数确定助力系数；
18.根据所述平滑角度值和所述助力系数计算辅助扭矩值；
19.根据所述辅助扭矩值实时生成所述扭矩指令。
20.进一步地，所述将所述变化角度进行平滑处理，获得平滑角度值，包括：
21.将t时刻及其之前的n个节点时刻的所述实时关节角度进行均值滤波处理，以获得平滑角度值；
22.所述均值滤波处理公式为：θf(t)＝[θ(t) θ(t-1)
…
θ(t-n-1)]/n，θ为所述关节角度，θ(t)为所述t时刻的所述变化角度，θf(t)为所述平滑角度值。
[0023]
进一步地，根据如下公式计算所述辅助扭矩值：
[0024]
τ1(t)＝k1·
[sin(θ
1f
(t
±
δt))-sin(θ
2f
(t
±
δt))]；
[0025]
τ2(t)＝k2·
[sin(θ
2f
(t
±
δt))-sin(θ
1f
(t
±
δt))]；
[0026]
δt为所述自适应参数中的舒适参数，θ1为左髋关节角度，θ2为右髋关节角度，k1为所述左髋关节的助力系数，k2为所述右髋关节的助力系数，τ1(t)为所述左髋关节的所述辅助扭矩值，τ2(t)为所述右髋关节的所述辅助扭矩值。
[0027]
进一步地，所述根据所述平滑角度值和所述自适应参数确定助力系数，包括：
[0028]
确定所述平滑角度值的导数；
[0029]
确定所述平滑角度值的导数是否大于预设值；
[0030]
若所述平滑角度值的导数大于所述预设值，则k＝km·
k，k为所述助力系数，k为初始助力系数，km为所述自适应参数中的自适应助力系数；
[0031]
若所述平滑角度值的导数大于所述预设值，则k＝km·k·
kg，kg为重力补偿系数。
[0032]
进一步地，所述检测并记录各时间节点的实时髋关节角度之前，所述方法还包括：
[0033]
在所述助力外骨骼上电后，对所述助力外骨骼的系统进行初始化，以将所述髋关节角度进行初始化置零。
[0034]
进一步地，所述对所述助力外骨骼的系统进行初始化之后，所述方法还包括：
[0035]
确定是否接收到启动助力模式指令；
[0036]
若接收到所述启动助力模式指令，则进入所述助力模式，以根据前后节点的所述变化角度和所述自适应参数生成所述扭矩指令；
[0037]
若未接收到所述启动助力模式指令，则控制所述助力外骨骼的扭矩始终为零。
[0038]
一种助力外骨骼自适应控制装置，包括：
[0039]
检测模块，用于检测并记录各时间节点的实时髋关节角度；
[0040]
计算模块，用于根据前后时间节点的所述实时髋关节角度计算髋关节的变化角度；
[0041]
确定模块，用于根据所述实时髋关节角度确定所述助力外骨骼的自适应参数；
[0042]
生成模块，用于根据所述变化角度和所述自适应参数生成实时的扭矩指令；
[0043]
驱动模块，用于根据所述扭矩指令驱动相应关节。
[0044]
一种助力外骨骼自适应控制装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述助力外骨骼自适应控制方法的步骤。
[0045]
一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述助力外骨骼自适应控制方法的步骤。
[0046]
上述助力外骨骼自适应控制方法和装置所提供的一个方案中，通过检测并记录各时间节点的实时髋关节角度，根据前后时间节点的实时髋关节角度计算髋关节的变化角
度，再根据实时髋关节角度确定助力外骨骼的自适应参数，然后根据变化角度和自适应参数生成实时的扭矩指令，最后根据扭矩指令驱动相应关节；本发明中，采用自适应的助力外骨骼控制方法，在使用过程中，能够根据用户髋关节角度自适应地调整助力外骨骼助力参数，无需用户手动调整即可根据髋关节的实时变化角度自适应地控制助力外骨骼，进而达到最佳的助力效果，解决了现有技术中，使用助力外骨骼时需要用户手动参与调节导致使用体验差的问题，增加了用户的使用体验。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例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发明的一些实施例，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。
[0048]
图1是本发明一实施例中助力外骨骼自适应控制方法的一流程示意图；
[0049]
图2是本发明一实施例中助力外骨骼自适应控制方法步骤s30的一实现流程示意图；
[0050]
图3是本发明一实施例中助力外骨骼自适应控制方法步骤s40的一实现流程示意图；
[0051]
图4是本发明一实施例中助力外骨骼自适应控制装置的一结构示意图；
[0052]
图5是本发明一实施例中助力外骨骼自适应控制装置的另一结构示意图。
具体实施方式
[0053]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0054]
本发明实施例提供的助力外骨骼自适应控制方法，应用客户使用的外骨骼中，外骨骼对用户实时的关节角度的数据进行测量、记录，根据计算出辅助扭矩以驱动关节，并将数据传输至客户端，客户端通过网络与外骨骼进行通信。客户端可以但不限于各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备。
[0055]
在一实施例中，如图1所示，提供一种助力外骨骼自适应控制方法，该方法应用在图1中的外骨骼，包括如下步骤：
[0056]
s10：检测并记录各时间节点的实时髋关节角度。
[0057]
在运动时，根据姿势的变化产生不同的髋关节角度，在不同的时间点，外骨骼通过传感器对髋关节进行实时检测和记录，可获得不同的髋关节角度，以根据髋关节角度判断用户的行走态势。具体的，行走时，髋关节在腿抬起时或腿落下时，形成不同的角度。
[0058]
由于髋关节的关节角度较好检测且数据较少，采用测量髋关节角度的方式，只需要测量髋关节的角度变化趋势，就可以确定腿的运动方式，比脚踝关节和膝关节的关节角度好检测且数据较少，减少了数据检测量和计算量，节约了成本，提高了用户的穿戴体验。
[0059]
本实施例中测量并记录的髋关节角度包括左髋关节角度和右髋关节角度。
[0060]
s20：根据前后时间节点的实时髋关节角度计算髋关节的变化角度。
[0061]
在实时检测并记录的不同时间点的髋关节角度之后，对前后时间点不同的髋关节角度进行计算，得到髋关节的变化角度。例如，在t0时刻，左髋关节的关节角度为θ0，在t1时刻，左髋关节的关节角度为θ1，则髋关节的变化角度为θ(t)＝θ
1-θ0，当θ(t)数值大于0时，即左髋关节角度为正，此时腿为抬起状态，当θ(t)数值小于等于0时，即左髋关节角度为负，此时腿为落下状态。
[0062]
s30：根据实时髋关节角度确定助力外骨骼的自适应参数。
[0063]
在实时检测并记录的不同时间点的髋关节角度之后，根据获得的实时髋关节角度确定助力外骨骼的自适应参数，其中，自适应参数为根据用户髋关节角度自适应调整的助力外骨骼助力参数，自适应参数决定了用户使用助力外骨骼的舒适度，通过根据用户实时的髋关节角度确定的自适应参数，可比较贴合用户的行走态势和习惯，提高助力外骨骼的舒适性和自适应性，进而提高了用户的使用体验。
[0064]
其中，自适应参数包括了自适应助力系数和舒适参数，舒适参数决定助力外骨骼的提供助力的舒适度，即使决定提高用户使用助力外骨骼的舒适性。
[0065]
例如，根据获取的实时髋关节角度确定用户的步行频率，根据步行频率确定自适应助力系数和舒适参数，其中，不同的步行频率对应着不同的舒适参数，而根据不同步行频率调整舒适度参数后，可以使助力外骨骼自动适应用户各种不同的步行频率，使用户获得流畅舒适的助力外骨骼使用体验。
[0066]
s40：根据变化角度和自适应参数生成实时的扭矩指令。
[0067]
在确定髋关节的变化角度并确定自适应参数之后，先根据实时计算出的左、右髋关节变化角度和确定的自适应参数生成得到实时的辅助扭矩值τ(t)，然后生成的辅助扭矩值τ(t)实时地生成扭矩指令并输出，以便后续外骨骼根据扭矩指令来驱动髋关节运动，进而实现助力外骨骼的助力功能。
[0068]
例如，助力外骨骼上电时的初始数据为：左、右腿髋关节的角度分别为θ
10
，θ
20
，第一次通过绝对角度传感器检测并记录得到t时刻的左腿髋关节、右腿髋关节的角度分别为θ1、θ2，计算得到t时刻左腿髋关节、右腿髋关节的变化角度分别为θ1(t)＝θ
1-θ
10
，θ2(t)＝θ
2-θ
20
，腿向前抬起方向规定为该腿转动的正方向，对应的髋关节角度也为正。
[0069]
s50：根据扭矩指令驱动相应关节。
[0070]
在根据变化角度和自适应参数生成实时的扭矩指令之后，根据实时输出的扭矩指令来驱动相应的髋关节，驱使助力外骨骼左右腿运动。
[0071]
本实施例中，通过检测并记录各时间节点的实时髋关节角度，根据前后时间节点的实时髋关节角度计算髋关节的变化角度，再根据实时髋关节角度确定助力外骨骼的自适应参数，然后根据变化角度和自适应参数生成实时的扭矩指令，最后根据扭矩指令驱动相应关节；本发明中，采用自适应的助力外骨骼控制方法，在使用过程中，能够根据用户髋关节角度自适应地调整助力外骨骼助力参数，无需用户手动调整即可根据髋关节的实时变化角度自适应地控制助力外骨骼，进而达到最佳的助力效果，解决了现有技术中，使用助力外骨骼时需要用户手动参与调节导致使用体验差的问题，增加了用户的使用体验。
[0072]
在一实施例中，在检测并记录各时间节点的实时髋关节角度之前，即步骤s10之前，所述方法还包括：在助力外骨骼上电后，对助力外骨骼的系统进行初始化，以将髋关节
角度进行初始化置零。
[0073]
用户在穿戴好助力外骨骼物理本体后，保持双腿站立静止状态，启动助力外骨骼电源，使助力外骨骼系统上电，此时，系统中记录的数据可能是上一次使用时留下的数据，如果不对该数据进行清除，会对后续变化角度的计算产生影响，进而影响到辅助扭矩地准确性。因此，在助力外骨骼上电后，需要对系统进行初始化，初始化包括助力外骨骼控制电路的状态初始化，以及髋关节角度进行初始化置零。髋关节角度的初始化置零具体实现为：采用绝对角度传感器记录下助力外骨骼上电时左、右腿髋关节的角度分别为θ
10
、θ
20
，并认为此为髋关节角度的零点。
[0074]
对髋关节角度进行初始化即对上一次留下的数据进行清除以将髋关节角度置零，然后再通过传感器对清除后的髋关节角度进行实时地检测和记录，以获得在保持双腿站立静止状态下的髋关节的初始数据，保证检测的髋关节角度数据的准确性，为后续根据计算获得的变化角度和自适应参数生成扭矩指令提供了准确的数据基础。
[0075]
本实施例中，通过对助力外骨骼系统的初始化，清除了上一次留下的数据，并获得了保持双腿站立静止状态下的髋关节的初始数据，消除了上一次的使用数据对计算结果的影响，提高了数据的准确性。
[0076]
在一实施例中，在对助力外骨骼的系统进行初始化之后，所述方法还具体包括如下步骤：
[0077]
s01：确定是否接收到启动助力模式指令。
[0078]
在对助力外骨骼的系统进行初始化，以将髋关节角度进行初始化置零之后，检测并记录各时间节点的实时髋关节角度之前，确定是否接收到启动助力模式指令，以确定用户是否需要助力外骨骼提供自适应的助力。
[0079]
其中，用户可以通过助力外骨骼按键或者客户端向助力外骨骼发送是否启动助力模式的指令。
[0080]
s02：若接收到启动助力模式指令，则进入助力模式，以根据前后节点的变化角度和自适应参数生成扭矩指令。
[0081]
在确定是否接收到启动助力模式指令之后，若接收到启动助力模式指令，表示助力外骨骼接收到客户端发送的启动助力模式指令，用户需要助力外骨骼提供助力，则控制助力外骨骼进入助力模式，以检测并记录各时间节点的实时髋关节角度，并根据髋关节前后节点的变化角度和自适应参数生成辅助扭矩值，进而生成并输出扭矩指令，使得助力外骨骼为用户的运动提供助力。
[0082]
s03：若未接收到启动助力模式指令，则控制助力外骨骼的扭矩始终为零。
[0083]
在确定是否接收到启动助力模式指令之后，如果助力外骨骼未接收到客户端发送的启动助力模式指令，则助力外骨骼不启动助力模式，随后助力外骨骼输出的扭矩始终为零。
[0084]
本实施例中，在对助力外骨骼的系统进行初始化之后，通过确定是否接收到启动助力模式指令来确定是否执行相应的扭矩输出控制，若接收到启动助力模式指令，则进入助力模式，以根据前后节点的变化角度和自适应参数生成扭矩指令，若未接收到启动助力模式指令，则控制助力外骨骼的扭矩始终为零，用户通过客户端向助力外骨骼发送是否启动助力模式的指令，来选择是否进入模式，增加了用户使用助力外骨骼的选择性，进一步提
高了用户的使用体验。
[0085]
在一实施例中，如图2所示，步骤s30中，即根据实时髋关节角度确定助力外骨骼的自适应参数，具体包括如下步骤：
[0086]
s31：根据实时髋关节角度确定用户的步行频率。
[0087]
在检测并记录各时间节点的实时髋关节角度之后，根据实时获取的髋关节角度确定用户的步行频率。
[0088]
其中，步行频率的计算公式为：f＝1/(t
2-t1)，其中，t1和t2为髋关节角度一致的最近的两个时间节点。
[0089]
例如，左腿髋关节角度、右腿髋关节角度分别为θ1(t)和θ2(t)，当θ1(t)＝θ2(t)时，将该时刻的时间记录为t1，当再次出现θ1(t)＝θ2(t)时，将该时刻的时间记录为t2，则步行频率f＝1/(t
2-t1)；或者，检测到前后时间节点的左腿髋关节角度分别为θ1(t-1)、θ1(t)，髋关节角度检测频率即数据采样频率为n，可以得到左腿髋关节的角速度v(t)＝(θ1(t)-θ1(t-1))*n，当v(t-1)＜0且v(t)≥0时，说明此时左腿髋关节由向后摆变成向前摆(往前摆是速度正方向)，记录此时的时间为t1，当再次出现v(t-1)＜0且v(t)≥0时，记录当时的时间为t2，则步行频率f＝1/(t
2-t1)。
[0090]
本实施例中，步行频率的获取方式仅为示例性说明，在其他实施例中，步行频率的获取方式还可以是其他方式，在此不再赘述。
[0091]
s32：根据步行频率和预设自适应参数数据确定自适应参数，预设自适应参数数据为根据试验获取的不同步行频率下的自适应参数数据。
[0092]
在根据实时获取的髋关节角度获取用户的步行频率之后，获取预设自适应参数数据，并根据步行频率和预设自适应参数数据确定自适应参数，其中，预设自适应参数数据为根据试验获取的不同步行频率下的自适应参数数据。
[0093]
例如，对助力外骨骼进行大量的试验测试，以测试用户在不同频率下的助力参数数据，然后从中确定出不同步行频率下最佳的参数组合(包括自适应助力系数和舒适参数)，作为预设自适应参数数据，然后在用户使用助力外骨骼的过程中，根据用户的步行频率查询预先置入的预设自适应参数数据，以获得自适应参数，实现自适应参数的实时更新。
[0094]
本实施例中，在检测并记录各时间节点的实时髋关节角度之后，通过根据实时髋关节角度确定用户的步行频率，进而根据步行频率和预设自适应参数数据确定自适应参数，细化了根据实时髋关节角度确定助力外骨骼的自适应参数的步骤，保证了预设自适应参数数据的准确性，使得助力外骨骼能够根据用户的步频实时地调整参数，并使获取的自适应参数更贴近用户的习惯，从而为后续根据自适应参数生成扭矩指令提供了基础，避免了用户在不同场景下行走速度不同带来的助力感下降、不舒适的问题，同时避免了行走速度变化后需要手动调节参数的缺点。
[0095]
在一实施例中，在获得预设自适应参数数据之后，可将预设自适应参数数据制成自适应参数map或者自适应参数表，在根据实时获取的髋关节角度获取用户的步行频率之后，可在自适应参数map或者自适应参数表中查询步行频率对应的自适应参数km和δt，以提高确定自适应参数的速度，从而提高助力外骨骼的反应速度，进而提高用户的使用体验。
[0096]
在一实施例中，如图3所示，步骤s40中，即根据变化角度和自适应参数生成实时的扭矩指令，具体包括如下步骤：
[0097]
s41：将变化角度进行平滑处理，获得平滑角度值。
[0098]
在在检测并记录各时间节点的实时髋关节角度之后，通过对髋关节的某时间点的变化角度θ(t)进行平滑处理，获得进行平滑处理后的平滑角度值θf(t)，对变化角度进行平滑处理，使髋关节前后变化的角度之间差距更小，以便后续获得据此获得更平缓的辅助扭矩值，使髋关节动作更平缓。
[0099]
其中，可以采用低通滤波器将变化角度进行平滑处理以获得平滑角度值，使髋关节的角度曲线更加平滑，例如，在获取t时刻的髋关节变化角度θ(t)之后，t时刻的平滑角度值θf(t)通过如下公式获取：θf(t)＝(1-a)*θf(t-1) a*θ(t)，其中，a为滤波因子(可以取0.02)，θf(t-1)为t-1时刻的平滑角度值。
[0100]
本实施例中，滤波因子取0.02仅为示例性说明，获取平滑角度值的方式仅为示例性说明，在其他实施例中，滤波因子还可以是其他数值，获取平滑角度值的方式还可以是其他方式，在此不再赘述。
[0101]
s42：根据平滑角度值和自适应参数确定助力系数。
[0102]
根据获得的平滑角度值和自适应参数确定不同髋关节的助力系数。
[0103]
例如，助力外骨骼上电时具有初始设定助力系数，在不同姿态中，髋关节的助力系数不同，当平滑角度值θf(t)为正，即腿抬起时，助力外骨骼的助力系数由自适应参数中的自适应助力系数和初始设定助力系数确定，当平滑角度值θf(t)为负，即腿放下时，基于重力作用，助力外骨骼的助力系数由自适应参数中的自适应助力系数、初始设定助力系数和重力补偿系数确定。
[0104]
s43：根据平滑角度值和助力系数计算辅助扭矩值。
[0105]
在根据平滑角度值和自适应参数确定助力系数之后，根据平滑角度值、助力系数和自适应参数中的舒适参数计算辅助扭矩值。
[0106]
s43：根据辅助扭矩值实时生成扭矩指令。
[0107]
在根据平滑角度值和助力系数计算辅助扭矩值之后，根据辅助扭矩值实时生成扭矩指令是进行实时输出，以便后续根据扭矩指令通过助力外骨骼驱动电机，输出辅助扭矩到相应关节以助力相应关节运动。
[0108]
本实施例中，在检测并记录各时间节点的实时髋关节角度之后，通过将变化角度进行平滑处理，获得平滑角度值，然后根据平滑角度值和自适应参数确定助力系数，再根据平滑角度值和助力系数计算辅助扭矩值，最后根据辅助扭矩值实时生成扭矩指令，细化了根据变化角度和自适应参数生成实时的扭矩指令的具体步骤，用户通过对髋关节变化角度进行平滑处理，根据获得的平滑角度值和自适应参数确定助力系数，并在此基础上生成辅助扭矩，提高了助力外骨骼的舒适性和用户使用体验。
[0109]
在一实施例中，步骤s41中，即将变化角度进行平滑处理，获得平滑角度值，具体包括如下步骤：
[0110]
s411：将t时刻及t时刻之前的n个节点时刻的实时关节角度进行均值滤波处理，以获得平滑角度值。
[0111]
在检测并记录各时间节点的实时髋关节角度之后，将t时刻及t时刻之前的n个节点时刻的实时关节角度进行均值滤波处理，以获得平滑角度值。
[0112]
s412：均值滤波处理公式为：
[0113]
θf(t)＝[θ(t) θ(t-1)
…
θ(t-n-1)]/n，其中，θ为关节角度，θ(t)为t时刻的变化角度，θf(t)为平滑角度值。
[0114]
例如，t时刻(8:00:04)的实时髋关节角度为50
°
，之前4个节点时刻的实时关节角度分别为：8:00:03时的髋关节角度为36
°
、8:00:02时的髋关节角度为23
°
、8:00:01时的髋关节角度为11
°
、在8:00:00时的髋关节角度为0
°
，则在8:00:04时髋关节的变化角度为11
°
、在8:00:03时髋关节的变化角度为12
°
、在8:00:02时髋关节的变化角度为13
°
、在8:00:01时髋关节的变化角度为14
°
，那么此时，t时刻(8:00:04)的髋关节平滑角度为：(11
°
12
°
13
°
14
°
)/4＝12.5
°
。
[0115]
本实施中，在检测并记录各时间节点的实时髋关节角度之后，通过将t时刻及t时刻之前的n个节点时刻的实时关节角度进行均值滤波处理，以获得平滑角度值，采用均值滤波的方式对关节的变化角度进行平滑处理，方法简单且波动小，减少了髋关节变化角度的可能出现的误差，提高了髋关节变化角度的平缓性。在其他实施例中，还可以采用其他低通滤波方式。
[0116]
在一实施例中，步骤s42中，根据平滑角度值以及设定好的规则确定助力系数，具体包括如下步骤：
[0117]
s421：确定平滑角度值的导数。
[0118]
在将变化角度进行平滑处理，获得平滑角度值θf(t)之后，确定平滑角度值θf(t)的导数
[0119]
s422：确定平滑角度值的导数是否大于预设值。
[0120]
在确定平滑角度值θf(t)的导数之后，确定平滑角度值θf(t)的导数是否大于预设值，其中，预设值为0，即确定平滑角度值θf(t)的导数是否大于0，以根据确定情况执行不同的助力系数确定方法。
[0121]
s423：若平滑角度值的导数大于预设值，则k＝km·
k，k为助力系数，k为初始助力系数，km为自适应参数中的自适应助力系数。
[0122]
s424：若平滑角度值的导数大于所述预设值，则k＝km·k·
kg，kg为重力补偿系数。
[0123]
具体地，当大于0时，表示在t时刻之前，髋关节的角度变化趋势是增大的，则表示腿向上抬起，而抬腿需要一个与重力想抵抗并帮助腿抬起的助力，此时助力系数k为初始助力系数k与自适应助力系数km的乘积，其中，km为根据用户步频确定的自适应助力系数，可通过助力外骨骼旋钮或者客户端设定或者根据实际需要修改；k为初始设定的助力系数，不可更改；当小于或者等于0时，表示在t时刻之前，髋关节的角度变化趋势是减小的，则表示腿向下落下，而腿落下时，除了要有一个帮助腿落下的助力外，还需要有一个重力补偿的系数，以帮助腿不会过快落下，影响舒适性和平稳性，此时助力系数k为初始助力系数k、自适应助力系数km和重力补偿系数kg的乘积。
[0124]
本实施例中，在获得平滑角度值之后，通过确定平滑角度值的导数是否大于预设值来判断用户运动的姿态，若平滑角度值的导数大于预设值，则表示腿向上抬起，助力外骨骼的助力系数为自适应助力系数与初始助力系数的乘积，若平滑角度值的导数不大于预设
值时，则表示腿向下落下，此时由于重力作用，助力外骨骼的助力系数为自适应助力系数、初始助力系数以及重力补偿系数的乘积，通过设定初始助力系数k、根据自适应助力系数km和重力补偿系数kg，为助力外骨骼的动作变化增加了帮助，使助力外骨骼的动作变化更加平缓，提高了运动时的舒适性和平稳性。
[0125]
本实施例中，通过根据用户步频确定的自适应助力系数、设定初始助力系数和重力补偿系数来确定助力外骨骼的助力系数，在其他实施例中，可采用其他方法来确定助力系数，在此不再赘述。
[0126]
在一实施例中，步骤s43中，根据平滑角度值和助力系数计算输出辅助扭矩值中，辅助扭矩值的计算公式如下：
[0127]
τ1(t)＝k1·
[sin(θ
1f
(t
±
δt))-sin(θ
2f
(t
±
δt))]；
[0128]
τ2(t)＝k2·
[sin(θ
2f
(t
±
δt))-sin(θ
1f
(t
±
δt))]；
[0129]
其中，δt为自适应参数中舒适参数，θ1为左髋关节角度，θ2为右髋关节角度，k1为左髋关节的助力系数，k2为右髋关节的助力系数，τ1(t)为左髋关节的辅助扭矩值，τ2(t)为右髋关节的辅助扭矩值。
[0130]
其中，自适应参数中舒适参数又叫滞后时间，决定了使用助力外骨骼的舒适度，在使用助力外骨骼的过程中，舒适参数δt主要为负，表示当前输出的τ1(t)使用的是t-δt时刻的髋关节角度；如果δt是正，表示输出使用t δt时刻的角度值(但此时并未获得未来时间的角度数据，只在获取所有数据后数据分析时作为分析数据)，因此，正常使用助力外骨骼时，辅助扭矩值的计算公式如下：
[0131]
τ1(t)＝k1·
[sin(θ
1f
(t-δt))-sin(θ
2f
(t-δt))]；
[0132]
τ2(t)＝k2·
[sin(θ
2f
(t-δt))-sin(θ
1f
(t-δt))]。
[0133]
例如，初始助力系数k为1，，重力补偿系数kg为0.2，根据用户步频得到自适应助力系数km为2、舒适参数δt为0.1秒，将t时刻及t时刻之前的n 1个节点时刻的实时髋关关节角度进行均值滤波处理，此时左髋关节的平滑角度值θ
1f
(t)＝15
°
，右髋关节的平滑角度值θ
2f
(t)＝-7
°
，将左、右髋关节的平滑角度值存储到助力外骨骼的内存中，供后续使用。同时，在内存中取出δt(0.1秒)之前的左、右髋关节平滑角度θ
1f
(t-δt)＝10
°
、θ
2f
(t-δt)＝-5
°
，若确定t时刻θ
1f
(t)的导数为正(即角速度为正)，则t时刻用户的左腿为抬起状态，则左髋关节的助力系数k1为k与km的乘积，即k1为：1
×
2＝2，所以左髋关节在t时刻的辅助扭矩值τ1(t)＝2
×
[sin10
°-
sin-5
°
]；若确定t时刻θ
1f
(t)的导数为负(即角速度为负)，则t时刻用户的右腿为落下状态，助力系数k2为k、km与kg的乘积，即k1为：1
×2×
0.2＝0.4，所以右髋关节在t时刻的辅助扭矩值τ2(t)＝0.4
×
[sin-5
°-
sin10
°
]。
[0134]
本实施例中，通过计算公式，明确了根据平滑角度值和助力系数计算输出辅助扭矩值的过程，通过根据自适应的舒适参数来对髋关节角度变化小，使髋关节动作更平缓，进一步提高了运动时的舒适性和平稳性。
[0135]
在其他实施例中，可采用其他方法来计算辅助扭矩值，在此不再赘述。
[0136]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
[0137]
在一实施例中，提供一种助力外骨骼自适应控制装置，该助力外骨骼自适应控制
装置与上述实施例中助力外骨骼自适应控制方法一一对应。如图4所示，该助力外骨骼自适应控制装置包括检测模块401、计算模块402、确定模块403、生成模块404和驱动模块405。各功能模块详细说明如下：
[0138]
检测模块401，用于检测并记录各时间节点的实时髋关节角度；
[0139]
计算模块402，用于根据前后时间节点的所述实时髋关节角度计算髋关节的变化角度；
[0140]
确定模块403，用于根据所述实时髋关节角度确定所述助力外骨骼的自适应参数；
[0141]
生成模块404，用于根据所述变化角度和所述自适应参数生成实时的扭矩指令；
[0142]
驱动模块405，用于根据所述扭矩指令驱动相应关节。
[0143]
进一步地，所述确定模块403具体用于：
[0144]
根据所述实时髋关节角度确定所述用户的步行频率；
[0145]
根据所述步行频率和预设自适应参数数据确定所述自适应参数，所述预设自适应参数数据为根据试验获取的不同所述步行频率下的自适应参数数据。
[0146]
进一步地，所述生成模块404具体用于：
[0147]
将所述变化角度进行平滑处理，获得平滑角度值；
[0148]
根据所述平滑角度值和所述自适应参数确定助力系数；
[0149]
根据所述平滑角度值和所述助力系数计算辅助扭矩值；
[0150]
根据所述辅助扭矩值实时生成所述扭矩指令。
[0151]
进一步地，所述生成模块404还具体用于：
[0152]
将t时刻及其之前的n个节点时刻的所述实时关节角度进行均值滤波处理，以获得平滑角度值；
[0153]
所述均值滤波处理公式为：θf(t)＝[θ(t) θ(t-1)
…
θ(t-n-1)]/n，θ为所述关节角度，θ(t)为所述t时刻的所述变化角度，θf(t)为所述平滑角度值。
[0154]
进一步地，所述生成模块404还具体用于根据如下公式计算所述辅助扭矩值：
[0155]
τ1(t)＝k1·
[sin(θ
1f
(t
±
δt))-sin(θ
2f
(t
±
δt))]；
[0156]
τ2(t)＝k2·
[sin(θ
2f
(t
±
δt))-sin(θ
1f
(t
±
δt))]；
[0157]
δt为所述自适应参数中的舒适参数，θ1为左髋关节角度，θ2为右髋关节角度，k1为所述左髋关节的助力系数，k2为所述右髋关节的助力系数，τ1(t)为所述左髋关节的所述辅助扭矩值，τ2(t)为所述右髋关节的所述辅助扭矩值。
[0158]
进一步地，所述生成模块404还具体用于：
[0159]
确定所述平滑角度值的导数；
[0160]
确定所述平滑角度值的导数是否大于预设值；
[0161]
若所述平滑角度值的导数大于所述预设值，则k＝km·
k，k为所述助力系数，k为初始助力系数，km为所述自适应参数中的自适应助力系数；
[0162]
若所述平滑角度值的导数大于所述预设值，则k＝km·k·
kg，kg为重力补偿系数。
[0163]
进一步地，所述检测并记录各时间节点的实时髋关节角度之前，所述检测模块401还具体用于：
[0164]
在所述助力外骨骼上电后，对所述助力外骨骼的系统进行初始化，以将所述髋关节角度进行初始化置零。
[0165]
进一步地，所述对所述助力外骨骼的系统进行初始化后，所述检测模块401还具体用于：
[0166]
确定是否接收到启动助力模式指令；
[0167]
若接收到所述启动助力模式指令，则进入所述助力模式，以根据前后节点的所述变化角度和所述自适应参数生成所述扭矩指令；
[0168]
若未接收到所述启动助力模式指令，则控制所述助力外骨骼的扭矩始终为零。
[0169]
关于助力外骨骼自适应控制装置的具体限定可以参见上文中对助力外骨骼自适应控制方法的限定，在此不再赘述。上述助力外骨骼自适应控制装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0170]
在一个实施例中，提供了一种助力外骨骼自适应控制装置，如图5所示。该计助力外骨骼自适应控制装置包括通过系统总线连接的存储器501、处理器502和收发器503，存储器501、处理器502和收发器503通过总线504连接。其中，该助力外骨骼自适应控制装置的处理器502用于提供计算和控制能力。该助力外骨骼自适应控制装置的收发器503用于收发数据/指令，该助力外骨骼自适应控制装置的存储器501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和计算机程序。该内存储器501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。示例性的，该助力外骨骼自适应控制装置采用嵌入式系统，该计算机程序被处理器502执行时以实现上述的助力外骨骼自适应控制方法。
[0171]
在一个实施例中，提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的助力外骨骼自适应控制方法。
[0172]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0173]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
[0174]
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应
包含在本发明的保护范围之内。