一种外骨骼动力关节助力自适应控制方法及装置

技术领域

本公开涉及外骨骼控制领域，具体而言，涉及一种外骨骼动力关节助力自适应控制方法、装置、电子设备以及计算机可读存储介质。

背景技术

目前，外骨骼穿戴设备应用范围广泛，如可用于医疗康复帮助病人进行康复训练，还可以穿戴于人体进行助力。因此，为了使动力关节能够有效的与人体运动进行匹配，为人体提供帮助，需要有外骨骼助力控制方法。由于人体运动存在很强的主观性，外骨骼所需要输出的助力难以有效的适应人体的运动规律。传统基于传感器反馈直接进行动力关节助力控制的方法，难以有效利用历史信息，容易受到噪声干扰，对环境抗扰能力差。传统基于有限状态机原理的控制方法，虽然不容易受到噪声干扰，但是对于不同步态和不同个体的适应能力很差，难以满足实际应用需求。

因此，需要一种或多种方法解决上述问题。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种外骨骼动力关节助力自适应控制方法、装置、电子设备以及计算机可读存储介质，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开的一个方面，提供一种外骨骼动力关节助力自适应控制方法，包括：

获取预设缓存的步态频率ω、步态幅度A、步态偏移量C，并基于所述步态频率ω计算步态相位φ；

根据所述步态相位φ、步态幅度A、步态偏移量C计算生成人体关节角度估计

基于测量设备采集人体关节角度θ，根据所述人体关节角度θ及人体关节角度估计

对所述误差F进行评测，若所述误差F未超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第一转矩，若所述误差F超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第二转矩。

在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：

基于所述步态频率ω计算步态相位φ＝2πωt，其中，t为时间。

在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：

根据所述步态相位φ、步态幅度A、步态偏移量C计算生成人体关节角度估计

在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：

基于测量设备采集人体关节角度θ，根据所述人体关节角度θ及人体关节角度估计

在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：

在基于所述步态频率ω计算步态相位φ后，基于所述步态相位φ计算步态频率ω、步态幅度A、步态偏移量C，并更新缓存。

在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：

在基于所述步态频率ω计算步态相位φ后，基于所述步态相位φ计算步态频率ω

在本公开的一种示例性实施例中，所述方法还包括：

对所述误差F进行评测，若所述误差F未超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第一转矩

若所述误差F超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第二转矩

其中，a、b、c为高斯曲线特征参数；

在本公开的一个方面，提供一种外骨骼动力关节助力自适应控制装置，包括：

步态相位计算模块，用于获取预设缓存的步态频率ω、步态幅度A、步态偏移量C，并基于所述步态频率ω计算步态相位φ；

人体关节角度估计计算模块，用于根据所述步态相位φ、步态幅度A、步态偏移量C计算生成人体关节角度估计

误差计算模块，用于基于测量设备采集人体关节角度θ，根据所述人体关节角度θ及人体关节角度估计

转矩生成模块，用于对所述误差F进行评测，若所述误差F未超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第一转矩，若所述误差F超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第二转矩。

在本公开的一个方面，提供一种电子设备，包括：

处理器；以及

存储器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时实现根据上述任意一项所述的方法。

在本公开的一个方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据上述任意一项所述的方法。

本公开的示例性实施例中的一种外骨骼动力关节助力自适应控制方法，其中，该方法包括：获取预设缓存的步态频率、步态幅度、步态偏移量，并基于所述步态频率计算步态相位；根据所述步态相位、步态幅度、步态偏移量计算生成人体关节角度估计；基于测量设备采集人体关节角度，根据所述人体关节角度及人体关节角度估计计算误差；对所述误差进行评测，若所述误差未超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第一转矩，若所述误差超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第二转矩。本公开通过自适应输出公式，基于人体的步态相位实时估计提供自适应关节助力，实现根据步态特征的不同和步态相位的不同输出适当助力。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图来详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1示出了根据本公开一示例性实施例的一种外骨骼动力关节助力自适应控制方法的流程图；

图2示出了根据本公开一示例性实施例的一种外骨骼动力关节助力自适应控制方法的步态相位估计流程图；

图3示出了根据本公开一示例性实施例的一种外骨骼动力关节助力自适应控制装置的示意框图；

图4示意性示出了根据本公开一示例性实施例的电子设备的框图；以及

图5示意性示出了根据本公开一示例性实施例的计算机可读存储介质的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个软件硬化的模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

在本示例实施例中，首先提供了一种外骨骼动力关节助力自适应控制方法；参考图1中所示，该一种外骨骼动力关节助力自适应控制方法可以包括以下步骤：

步骤S110，获取预设缓存的步态频率ω、步态幅度A、步态偏移量C，并基于所述步态频率ω计算步态相位φ；

步骤S120，根据所述步态相位φ、步态幅度A、步态偏移量C计算生成人体关节角度估计

步骤S130，基于测量设备采集人体关节角度θ，根据所述人体关节角度θ及人体关节角度估计

步骤S140，对所述误差F进行评测，若所述误差F未超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第一转矩，若所述误差F超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第二转矩。

本公开的示例性实施例中的一种外骨骼动力关节助力自适应控制方法，其中，该方法包括：获取预设缓存的步态频率、步态幅度、步态偏移量，并基于所述步态频率计算步态相位；根据所述步态相位、步态幅度、步态偏移量计算生成人体关节角度估计；基于测量设备采集人体关节角度，根据所述人体关节角度及人体关节角度估计计算误差；对所述误差进行评测，若所述误差未超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第一转矩，若所述误差超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第二转矩。本公开通过自适应输出公式，基于人体的步态相位实时估计提供自适应关节助力，实现根据步态特征的不同和步态相位的不同输出适当助力。

下面，将参考图2所示的流程图，对本示例实施例中的一种外骨骼动力关节助力自适应控制方法进行进一步的说明。

在步骤S110中，可以获取预设缓存的步态频率ω、步态幅度A、步态偏移量C，并基于所述步态频率ω计算步态相位φ。

在本示例的实施例中，所述方法还包括：

基于所述步态频率ω计算步态相位φ＝2πωt，其中，t为时间。

在步骤S120中，可以根据所述步态相位φ、步态幅度A、步态偏移量C计算生成人体关节角度估计

在本示例的实施例中，所述方法还包括：

根据所述步态相位φ、步态幅度A、步态偏移量C计算生成人体关节角度估计

在步骤S130中，可以基于测量设备采集人体关节角度θ，根据所述人体关节角度θ及人体关节角度估计

在本示例的实施例中，所述方法还包括：

在基于所述步态频率ω计算步态相位φ后，基于所述步态相位φ计算步态频率ω、步态幅度A、步态偏移量C，并更新缓存。

在本示例的实施例中，所述方法还包括：

基于测量设备采集人体关节角度θ，根据所述人体关节角度θ及人体关节角度估计

在步骤S140中，可以对所述误差F进行评测，若所述误差F未超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第一转矩，若所述误差F超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第二转矩。

在本示例的实施例中，所述方法还包括：

在基于所述步态频率ω计算步态相位φ后，基于所述步态相位φ计算步态频率ω

在本示例的实施例中，所述方法还包括：

对所述误差F进行评测，若所述误差F未超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第一转矩

若所述误差F超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第二转矩

其中，a、b、c为高斯曲线特征参数；

在本示例的实施例中，本发明能够通过所述模型实时对人体的步态进行建模并对人体的步态相位进行实时估计，用于外骨骼动力关节助力控制。本方法能够通过所述自适应输出公式，基于人体的步态相位实时估计提供自适应关节助力，实现根据步态特征的不同和步态相位的不同输出适当助力。

需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中方法的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

此外，在本示例实施例中，还提供了一种外骨骼动力关节助力自适应控制装置。参照图3所示，该一种外骨骼动力关节助力自适应控制装置300可以包括：步态相位计算模块310、人体关节角度估计计算模块320、误差计算模块330以及转矩生成模块340。其中：

步态相位计算模块310，用于获取预设缓存的步态频率ω、步态幅度A、步态偏移量C，并基于所述步态频率ω计算步态相位φ；

人体关节角度估计计算模块320，用于根据所述步态相位φ、步态幅度A、步态偏移量C计算生成人体关节角度估计

误差计算模块330，用于基于测量设备采集人体关节角度θ，根据所述人体关节角度θ及人体关节角度估计

转矩生成模块340，用于对所述误差F进行评测，若所述误差F未超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第一转矩，若所述误差F超过预设阈值，则根据关节助力自适应生成算法生成关节助力第二转矩。

上述中各一种外骨骼动力关节助力自适应控制装置模块的具体细节已经在对应的一种外骨骼动力关节助力自适应控制方法中进行了详细的描述，因此此处不再赘述。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了一种外骨骼动力关节助力自适应控制装置300的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

此外，在本公开的示例性实施例中，还提供了一种能够实现上述方法的电子设备。

所属技术领域的技术人员能够理解，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施例、完全的软件实施例(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施例，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。

下面参照图4来描述根据本发明的这种实施例的电子设备500。图4显示的电子设备400仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图4所示，电子设备400以通用计算设备的形式表现。电子设备400的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理单元410、上述至少一个存储单元420、连接不同系统组件(包括存储单元420和处理单元410)的总线430、显示单元440。

其中，所述存储单元存储有程序代码，所述程序代码可以被所述处理单元410执行，使得所述处理单元410执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本发明各种示例性实施例的步骤。例如，所述处理单元410可以执行如图1中所示的步骤S110至步骤S140。

存储单元420可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(RAM)4201和/或高速缓存存储单元4202，还可以进一步包括只读存储单元(ROM)4203。

存储单元420还可以包括具有一组(至少一个)程序模块4203的程序/实用工具4204，这样的程序模块4205包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，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。

总线450可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。

电子设备400也可以与一个或多个外部设备470(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备400交互的设备通信，和/或与使得该电子设备400能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口440进行。并且，电子设备400还可以通过网络适配器460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460通过总线450与电子设备400的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备400使用其它硬件和/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、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等。

通过以上的实施例的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施例可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、终端装置、或者网络设备等)执行根据本公开实施例的方法。

在本公开的示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有能够实现本说明书上述方法的程序产品。在一些可能的实施例中，本发明的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行本说明书上述“示例性方法”部分中描述的根据本发明各种示例性实施例的步骤。

参考图5所示，描述了根据本发明的实施例的用于实现上述方法的程序产品500，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)并包括程序代码，并可以在终端设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品不限于此，在本文件中，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。

所述程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、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。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连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

计算机可读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，其中承载了可读程序代码。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。可读信号介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、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。

可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，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用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。