一种紧急姿态控制方法和系统

摘要

本发明公开了一种紧急姿态控制方法和系统，该方法包括：获取下肢运动参数，包括膝关节角度参数、膝关节角度变化参数、踝关节压力参数和踝关节压力变化参数；根据所述下肢运动参数标记所述下肢辅助装置处于的运动周期，所述运动周期包括行走支撑期和行走摆动期；基于所述运动周期、所述膝关节角度变化参数和/或所述踝关节压力变化参数输出对应的控制指令以控制所述液压动力装置。该系统用于执行方法。本发明根据下肢姿态载入对应的运动配置文件，能够针对性的处理对应的膝关节角度和/或踝关节压力的变化，输出对应合适的指令以控制液压动力装置辅助人的行走。

权利要求

1.一种紧急姿态控制方法，适用于采用液压动力装置的下肢辅助装置，其特征在于，包括步骤：获取下肢运动参数，包括膝关节角度参数、膝关节角度变化参数、踝关节压力参数和踝关节压力变化参数；

根据所述下肢运动参数标记所述下肢辅助装置处于的运动周期，所述运动周期包括行走支撑期和行走摆动期；

当运动周期为行走支撑期，判断所述踝关节压力变化参数是否超过压力阈值，是则增大所述液压动力装置的阻尼；

当运动周期为行走摆动期，如果所述膝关节角度参数在预设时间内保持不变则锁死所述液压动力装置。

2.根据权利要求1所述的紧急姿态控制方法，其特征在于，根据所述下肢运动参数标记所述下肢辅助装置处于的运动周期的步骤包括：当膝关节角度参数大于角度阈值且所述膝关节角度变化参数小于变化阈值时，标记所述下肢辅助装置处于行走支撑期，反之则为行走摆动期。

3.一种紧急姿态控制系统，用于执行权利要求1所述方法，其特征在于，包括：采集模块，用于获取下肢运动参数，包括膝关节角度参数、膝关节角度变化参数、踝关节压力参数和踝关节压力变化参数；

处理模块，用于根据所述下肢运动参数标记所述下肢辅助装置处于的运动周期，所述运动周期包括行走支撑期和行走摆动期；

控制模块，用于当运动周期为行走支撑期，判断所述踝关节压力变化参数是否超过压力阈值，是则增大所述液压动力装置的阻尼；

当运动周期为行走摆动期，如果所述膝关节角度参数在预设时间内保持不变则锁死所述液压动力装置。

4.根据权利要求3所述的一种紧急姿态控制系统，其特征在于，根据所述下肢运动参数标记所述下肢辅助装置处于的运动周期的步骤包括：当膝关节角度参数大于角度阈值且所述膝关节角度变化参数小于变化阈值时，标记所述下肢辅助装置处于行走支撑期，反之则为行走摆动期。

说明书

一种紧急姿态控制方法和系统

技术领域

[0001] 本发明涉及运动辅助设备领域，尤其涉及一种紧急姿态控制方法和系统。

背景技术

[0002] 由于老龄和疾病原因导致的行动不便会极大的影响人们的正常生活，因此用于辅助人运动的仪器也广泛运用在现实生活中，现在，这些仪器在正常工作的情况下都能很好的辅助人行走，但是在遇到例如滑倒、磕绊等紧急情况则不能很好的辅助人行走。

发明内容

[0003] 为了解决紧急情况下的辅助人行走的问题，本发明通过提供一种紧急姿态控制方法和系统。

[0004] 本发明采用的技术方案一方面为一种紧急姿态控制方法，适用于采用液压动力装置的下肢辅助装置，包括步骤：获取下肢运动参数，包括膝关节角度参数、膝关节角度变化参数、踝关节压力参数和踝关节压力变化参数；根据所述下肢运动参数标记所述下肢辅助装置处于的运动周期，所述运动周期包括行走支撑期和行走摆动期；基于所述运动周期、所述膝关节角度变化参数和/或所述踝关节压力变化参数输出对应的控制指令以控制所述液压动力装置。

[0005] 优选地，当运动周期为行走支撑期，判断所述踝关节压力变化参数是否超过压力阈值，是则增大所述液压动力装置的阻尼；当运动周期为行走摆动期，如果所述膝关节角度参数在预设时间内保持不变则锁死所述液压动力装置。

[0006] 优选地，根据所述下肢运动参数标记所述下肢辅助装置处于的运动周期的步骤包括：当膝关节角度参数大于角度阈值且所述膝关节角度变化参数小于变化阈值时，标记所述下肢辅助装置处于行走支撑期，反之则为行走摆动期。

[0007] 本发明采用的技术方案一方面为一种紧急姿态控制系统，用于执行上述方法，包括：采集模块，用于获取下肢运动参数，包括膝关节角度参数、膝关节角度变化参数、踝关节压力参数和踝关节压力变化参数；处理模块，用于根据所述下肢运动参数标记所述下肢辅助装置处于的运动周期，所述运动周期包括行走支撑期和行走摆动期；控制模块，用于基于所述运动周期、所述膝关节角度变化参数和/或所述踝关节压力变化参数输出对应的控制指令以控制所述液压动力装置。

[0008] 优选地，当运动周期为行走支撑期，判断所述踝关节压力变化参数是否超过压力阈值，是则增大所述液压动力装置的阻尼；当运动周期为行走摆动期，如果所述膝关节角度参数在预设时间内保持不变则锁死所述液压动力装置。

[0009] 优选地，根据所述下肢运动参数标记所述下肢辅助装置处于的运动周期的步骤包括：当膝关节角度参数大于角度阈值且所述膝关节角度变化参数小于变化阈值时，标记所述下肢辅助装置处于行走支撑期，反之则为行走摆动期。

[0010] 本发明的有益效果为根据下肢运动参数标记下肢辅助装置处于的运动周期，根据不同的运动周期和下肢运动参数输出对应的控制指令以控制所述液压动力装置。

附图说明

[0011] 图1所示为基于本发明实施例的一种紧急姿态控制方法的示意图；

[0012] 图2所示为基于本发明实施例的磕绊状态信号采集过程的示意图；

[0013] 图3所示为基于本发明实施例的脚滑状态信号采集过程的示意图；

[0014] 图4所示为基于本发明实施例的系统进入防磕绊保护模式的流程图；

[0015] 图5所示为基于本发明实施例的系统进入防脚滑倒保护模式的流程图。

具体实施方式

[0016] 以下结合实施例对本发明进行说明。

[0017] 基于发明的实施例，如图1所示的一种紧急姿态控制方法，适用于采用液压动力装置的下肢辅助装置，包括步骤：获取下肢运动参数，包括膝关节角度参数、膝关节角度变化参数、踝关节压力参数和踝关节压力变化参数；根据所述下肢运动参数标记所述下肢辅助装置处于的运动周期，所述运动周期包括行走支撑期和行走摆动期；基于所述运动周期、所述膝关节角度变化参数和/或所述踝关节压力变化参数输出对应的控制指令以控制所述液压动力装置。

[0018] 当运动周期为行走支撑期，判断所述踝关节压力变化参数是否超过压力阈值，是则增大所述液压动力装置的阻尼；当运动周期为行走摆动期，如果所述膝关节角度参数在预设时间内保持不变则锁死所述液压动力装置。

[0019] 根据所述下肢运动参数标记所述下肢辅助装置处于的运动周期的步骤包括：当膝关节角度参数大于角度阈值且所述膝关节角度变化参数小于变化阈值时，标记所述下肢辅助装置处于行走支撑期，反之则为行走摆动期。

[0020] 基于发明的实施例，一种紧急姿态控制系统，用于执行上述方法，包括：采集模块，用于获取下肢运动参数，包括膝关节角度参数、膝关节角度变化参数、踝关节压力参数和踝关节压力变化参数；处理模块，用于根据所述下肢运动参数标记所述下肢辅助装置处于的运动周期，所述运动周期包括行走支撑期和行走摆动期；控制模块，用于基于所述运动周期、所述膝关节角度变化参数和/或所述踝关节压力变化参数输出对应的控制指令以控制所述液压动力装置。

[0021] 当运动周期为行走支撑期，判断所述踝关节压力变化参数是否超过压力阈值，是则增大所述液压动力装置的阻尼；当运动周期为行走摆动期，如果所述膝关节角度参数在预设时间内保持不变则锁死所述液压动力装置。

[0022] 根据所述下肢运动参数标记所述下肢辅助装置处于的运动周期的步骤包括：当膝关节角度参数大于角度阈值且所述膝关节角度变化参数小于变化阈值时，标记所述下肢辅助装置处于行走支撑期，反之则为行走摆动期。

[0023] 人在行动的时候，基于人体力学原理，可以大致分为行走支撑阶段(脚底接触实地至离开实地，即后述支撑期)和行走摆动阶段(脚底离开实地至接触实地，即后述摆动期)，由于行走支撑阶段实际上腿部是很少向前移动的，因此基本不会发生磕绊的情况；反之行走摆动阶段则由于脚已经抬空，基本不会发生脚滑的事情。

[0024] 作为下肢姿态(运动特征)的数值化处理，主要通过踝关节的压力和膝关节角度来体现上述的行走支撑期和行走摆动期。

[0025] 下肢辅助装置作为电路驱动机械结构的装置，需要设置一个用于控制装置运动的控制程序或配置文件；同时针对下肢辅助装置，发生脚滑和磕绊这两种在人体力学内运动特征区别较大的情况，针对具体情况进行具体的分析并输出对应的指令。

[0026] 通过各种压力传感器，例如角度测量器，加速度传感器等器材能够测量膝关节角度和角度变化参数，踝关节压力和压力变化参数；根据人体力学原理，实际开展的若干运动实验以记录人体运动过程中(本例子中，所述运动主要为行走)，对应的下肢运动参数的变化情况，根据这些变化情况(例如压力处于什么区间、压力变化参数处于什么区间、膝关节角度处于什么区间，膝关节角度变化参数处于什么区间，例如人在支撑期，膝关节一直是伸展的，其角度大于一定值,其角度变化的角度数、变化率都不会大，反之，在摆动期，膝关节变化较大)来读取对应的控制指令以控制控制所述液压动力装置。

[0027] 磕绊危急情况：当在摆动期发生磕绊情况时，存在对膝关节的阻碍情形发生，此时存在的情况就是小腿部被阻碍，膝关节发生快速屈曲的情况发生。对于以上情况的发生，极易导致双膝跪地，更严重的会导致身体前倾倒地。此时采取的保护措施就是：当进入防磕绊保护模式时，首先就是增大液压动力装置的阻尼，使身体重心变化速度放缓，当发现身体失去平衡时，立即锁死液压动力装置阻尼阀门，使得膝关节保持此时的屈曲角度α，保持身体的平衡状态。

[0028] 脚滑危急情况：当在支撑期发生脚滑情况时，存在腿部在支撑期的时刻向前或向后打滑情形发生，此时存在的情况就是在支撑期身体的重心失稳，身体向前趴或者身体后仰。对于以上情况的发生，极易导致前趴，更严重的会导致身体后仰倒地。此时采取的保护措施就是：当进入脚滑保护模式时，膝关节处于在支撑期时，在正常情况下，膝关节处于锁死状态；当发生脚滑紧急情况时，首先就是增大液压动力装置的阻尼，使身体重心变化速度放缓。无论是前趴还是后仰，膝关节会存在一个屈曲角度来维持身体的平衡，当膝关节保持屈曲角度β的时间T＞阈值T0，此时阻尼阀门呈锁死状态，使身体处于该状态的平衡状态。

[0029] 如图2所示的磕绊状态信号采集过程：

[0030] 踝关节压力传感器主要是检测由身体重心的变化引起的踝关节处受力的变化，在摆动期时，小腿处于悬空摆动状态，踝关节处的受力从理论分析上是不变的。当发生磕绊紧急危险的情况时，由于脚部障碍物的阻挡，踝关节处会发生瞬时的转动，导致踝关节处的受力发生变化。同时，由于脚部障碍物的阻挡，膝关节角度发生不变。踝关节压力传感器采集到瞬时形变信号，以及膝关节角度传感器采集到角度不变信号，经过信号处理电路，将压力信号及膝关节角度信号转变为电信号。

[0031] 如图3所示的脚滑状态信号采集过程：

[0032] 采集过程：踝关节压力传感器主要是检测由身体重心的变化引起的踝关节处受力的变化，在支撑期时，小腿处于支撑于地面的状态，踝关节处的受力从理论分析上是连续变化的过程。当发生脚滑紧急危险的情况时，由于身体重心严重发生失稳，无论是前倾还是后仰，都存在踝关节压力发生瞬时冲击剧变。踝关节角度传感器采集到瞬时剧变信号，经过信号处理电路，将压力信号转变为电信号。

[0033] 如图4所示的系统进入防磕绊保护模式的流程图：

[0034] 系统初始化，膝关节角度传感器需要检测膝关节所处的角度是否已进入行走摆动期，当踝关节角度传感器检测到人体重心受力与人为设置的行走支撑期受力相等(即脚接触实地)，检测系统(即预处理模块)会进入对摆动期的判断。当检测到的膝关节转动方向与人为设置的摆动期膝关节转动方向不一致时，膝关节角度传感器会继续对膝关节角度的变化方向检测。

[0035] 检测系统是否进入对摆动期，存在两个判断条件：1、踝关节处的受力F是否已经达到人为设定的受力状态，即力信号F＝K1(符合人体力学原理，K1位预设值)；2、膝关节是否将屈曲与是否伸直(即根据角度变化参数)，此时主要是利用膝关节的转动方向来判断，膝关节伸直时所处的方向为正flag＝＝1，屈曲时所处的方向为负flag＝＝0。以上两个条件同时满足的前提下，系统正式进入防磕绊保护模式。

[0036] 其中，K1为支撑期与摆动期支撑力临界值，此值为设定值；正反转标志位区分屈曲(flag＝＝0)和伸展(flag＝＝1)。

[0037] 如图5所示的系统进入防脚滑倒保护模式的流程图：

[0038] 系统初始化，膝关节角度传感器需要检测膝关节所处的角度是否已进入行走支撑期，当膝关节角度传感器检测到膝关节角度α与预设的行走支撑期的角度K2一致，检测系统会进入对支撑期的判断；当检测到的膝关节角度与人为设置的行走支撑期的角度不等时，膝关节角度传感器会继续对膝关节角度的检测。

[0039] 检测系统是否进入对支撑期，存在两个判断条件：1、膝关节是否将屈曲与是否伸直，此时主要是利用膝关节的转动方向来判断，膝关节伸直时所处的方向为正，屈曲时所处的方向为负(符合人体力学原理)；2、延时判断膝关节角度的不变性(KT＝＝0)与变性(KT＝＝1)，依靠延时检测的方法判断膝关节角度是否存在变化。以上两个条件同时满足的前提下，系统正式进入防脚滑倒保护模式。

[0040] 其中，K2为处于支撑期膝关节所处的角度值，此值为设定值。

[0041] 以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。