一种基于DMP的下肢外骨骼上楼梯控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113977582A(43)申请公布日2022.01.28(21)申请号202111341855.7(22)申请日2021.11.12(71)申请人杭州电子科技大学地址310018浙江省杭州市下沙高教园区2号大街(72)发明人孔万增曹泽阳白云王雪岩刘栋军(74)专利代理机构杭州君度专利代理事务所(特殊普通合伙)33240代理人陈炜(51)Int.Cl.B25J9/16(2006.01)B25J9/00(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图3页(54)发明名称一种基于DMP的下肢外骨骼上楼梯控制方法(57)摘要本发明公开了一种基于DMP的下肢外骨骼上楼梯控制方法。本发明的具体步骤如下：1.上楼梯髋、膝关节角度数据采集。2.对步骤1采集的角度数据进行预处理。3.使用激光测距模块测量楼梯高度与宽度。4.建立DMP步态生成模型。5.利用训练好的DMP模型，实时规划出上楼梯步态轨迹。本发明创新性地对外骨骼运动的髋、膝关节角度曲线进行分段，使用DMP分别对两段曲线进行学习，利用几何关系通过楼梯高度、宽度推算出髋、膝关节的角度，将其作为目标点输入DMP，自动生成相应的上楼梯步态角度曲线。本发明实现了楼梯尺寸数据的自动测量，得到的上楼梯轨迹曲线实验效果良好。CN113977582ACN113977582A权利要求书1/2页1.一种基于DMP的下肢外骨骼上楼梯控制方法，其特征在于：步骤1.采集穿戴下肢外骨骼的被试在主动上楼梯时髋、膝关节的角度数据；步骤2.对每个关节上台阶的角度数据曲线进行分段，分界点为外骨骼上楼梯时小腿向前迈出并竖直落地的时刻；对后半段曲线数据进行首尾倒置，每个关节在上台阶的一个周期中均得到一条前半部分曲线和一条倒置后半部分曲线；步骤3.利用前半部分曲线和倒置后半部分曲线分别对DMP步态生成模型进行训练，得到前半段DMP模型和后半段DMP模型；步骤4.在小腿向前迈出并竖直落地的时刻，髋关节角度与膝关节角度相等，设定该角度θ的表达式如下：其中，l1为大腿长度；l2为小腿长度；w为目标楼梯的台阶宽度；h为目标楼梯的台阶高度；λ1和λ2分别为高度因素和宽度因素在角度控制中的权重；步骤5.步骤4所得的角度θ分别输入步骤3得到的两个DMP模型，得到两条拟合后的曲线；将后半段DMP模型拟合出的曲线倒置后拼接在前半段DMP模型拟合出的尾端，得到对应关节的运动轨迹控制曲线；根据各关节对应的运动轨迹控制曲线控制下肢外骨骼上楼梯时各关节的转动，从而使下肢外骨骼爬上目标楼梯。2.根据权利要求1所述的一种基于DMP的下肢外骨骼上楼梯控制方法，其特征在于：步骤1中，髋、膝关节的角度数据通过下肢外骨骼上对应的电机的编码器所得数据换算得到。3.根据权利要求1所述的一种基于DMP的下肢外骨骼上楼梯控制方法，其特征在于：下肢外骨骼在上楼梯的过程中，在位于前侧的腿的小腿部分竖直落到台阶上时，位于后侧的腿保持直立状态。4.根据权利要求1所述的一种基于DMP的下肢外骨骼上楼梯控制方法，其特征在于：在进行步骤2的分段处理前，对角度数据进行预处理；预处理的具体过程如下：首先将每个关节上单个台阶的角度数据点数量压缩至小于300个；之后，采用Savitzky‑Golay滤波器来对数据进行平滑操作；设置该滤波器的滑动窗口的大小为51，阶数k为3。5.根据权利要求1所述的一种基于DMP的下肢外骨骼上楼梯控制方法，其特征在于：步骤1中被试上楼梯的调节通过台阶尺寸检测组件测量高度和宽度；所述的台阶尺寸检测组件包括电动滑台和两个测距模块；电动滑台中的导轨竖直设置；两个测距模块均安装在电动滑台，且两个测距模块的朝向分别为竖直朝下和水平朝前；测量时，两个测距模块位于一级台阶上，且在电动滑台的带动下向上移动，当水平朝前的测距模块测得的距离值发生突变时，记录台阶宽度为d2‑d1，台阶高度为d3；d1为水平朝前的测距模块在突变前的测量距离；d2为水平朝前的测距模块在突变后的测量距离；d3为竖直朝下的测距模块在突变瞬间测量的距离。6.根据权利要求1所述的一种基于DMP的下肢外骨骼上楼梯控制方法，其特征在于：步骤3中，DMP步态生成模型的建立过程如下：3‑1.DMP模型的公式如式(4.1)所示：2CN113977582A权利要求书2/2页其中，y表示系统状态，和分别表示y的一阶导数和二阶导数，g为目标状态；αy和βy是两个调节参数；τ为控制轨迹的收敛速度的参数；f(x,g)为一个非线性函数；f(x,g)的表达式如式(4.2)所示：其中，Ψi(x)为基函数；y0表示起始状态；ωi为基函数的权重；N为高斯核的数目，参数x来自正则系统，满足式(4.3)的关系：其中，αx为调节系统收敛的速度的参数；基函数Ψi(x)定义为