一种基于物联网的外骨骼控制系统及方法

摘要

本发明涉及外骨骼协同控制技术领域，尤其涉及一种基于物联网的外骨骼控制系统及方法，包括控制器、至少一个摄像机、至少一个外骨骼，控制器分别与所述摄像机和所述外骨骼通信连接，摄像机安装在外骨骼使用者活动空间内，并用于采集外骨骼使用者活动空间内的图像，控制器用于获取并识别摄像机所采集的图像，以识别外骨骼使用者的运动意图和/或步态，用于针对性的优化外骨骼控制参数，实现个人定制的康复方案及不同阶段的康复策略调整。本发明利用现有的摄像机和控制器，以及成熟的图像识别技术，对在该活动空间内使用的外骨骼进行运动意图和/或步态识别方面的控制。

权利要求

1.一种基于物联网的外骨骼控制系统，其特征在于，包括控制器、至少一个摄像机、至少一个外骨骼，多个吸附式检测单元；所述吸附式检测单元包括感光点、加速度传感器、陀螺仪、磁体、壳体；所述感光点固定在壳体顶部，所述壳体内部安置有加速度传感器、陀螺仪；所述磁体设置在壳体底部；所述吸附式检测单元分别吸附在外骨骼头部、肩部、胸部、腹部、手关节、手、胯关节、膝关节、脚；所述摄像机实时检测感光点，所述加速度传感器、陀螺仪与控制器无线连接；外骨骼最外层采用磁性材料；控制器分别与所述摄像机和所述外骨骼通信连接；摄像机安装在外骨骼使用者活动空间内，并用于采集外骨骼使用者活动空间内的感光点图像信息；控制器接受感光点图像信息，并结合吸附式检测单元检测中加速度传感器、陀螺仪的检测数据，可获取康复人员的步态特征，步态特征包括步幅、频率、基础步态曲线、主动康复模式下一个步行周期内不同阶段阻力系数；将步态特征与控制器中预存的康复人员历史步态特征数据对比，控制器对比康复恢复模型或恢复曲线，设定下次康复时外骨骼机器人运行参数；所述摄像机包括驱动装置，用于驱动摄像机进行全方位转动；多个外骨骼设备同时处于工作状态时，控制所述摄像机的角度，使所有处于工作状态的外骨骼能够同时被摄像机拍摄到；控制器还可以同时对使用者当前所处地形进行识别，并根据运动意图和/或步态进行识别结构以及地形识别结果，并根据识别结果控制外骨骼的动作。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的外骨骼控制系统，其特征在于，所述系统可根据人脸识别确定患者或者康护人员ID。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的外骨骼控制系统，其特征在于，控制器与所述摄像机和所述外骨骼之间采用近距离通信方式进行连接。

4.根据权利要求3所述的基于物联网的外骨骼控制系统，其特征在于，所述近距离通信方式为蓝牙、WIFI或ZigBee。

5.一种基于物联网的外骨骼控制方法，其特征在于，如权利要求1所述的基于物联网的外骨骼控制系统的控制方法包括如下步骤：步骤1：设置在外骨骼活动空间内的摄像机实时采集外骨骼使用者活动空间内的图像，并将图像传输给控制器；

步骤2：控制器对摄像机所采集的图像进行识别，判断图像内是否存在患者；如果存在，则执行步骤3，如果不存在则返回步骤1；

步骤3：根据上述图像进一步判断该外骨骼是否穿戴在使用者身上，如果是，则识别设置在外骨骼上的外骨骼ID，并使控制器与该外骨骼ID对应的外骨骼建立近距离通信连接；

步骤4：在康复前下发外骨骼机器人运行参数，包括步幅、频率、基础步态曲线、主动康复模式下一个步行周期内不同阶段阻力系数。

6.根据权利要求5所述的一种基于物联网的外骨骼控制方法，其特征在于，还包括：步骤5：控制器根据外骨骼使用者在图像内的位置，实时控制摄像机驱动装置进行动作，以调整摄像机的角度，对患者进行跟随。

7.根据权利要求6所述的一种基于物联网的外骨骼控制方法，其特征在于，所述对患者进行跟随是指使外骨骼使用者始终处于图像的中心位置，或者以最大限度拍摄到外骨骼使用者的正面或侧面，从而更好地对运动意图或步态进行识别。

说明书

一种基于物联网的外骨骼控制系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及外骨骼协同控制技术领域，尤其涉及一种基于物联网的外骨骼控制系统及方法。

背景技术

[0002] 现有外骨骼的步态同步控制中，通常利用足底压力传感器、倾角传感器等感知人的运动意图或步态，以实现外骨骼和人的人机协同运动。而物理传感器在时间上存在滞后性，在地面不平或上下楼梯时容易产生误判。生物电传感信息能够直接反映穿戴者的运动意图，相对于物理传感器，其响应快速，但价格更加昂贵，且技术不够成熟。

[0003] 而现在物联网技术已经得到了广泛应用，在家庭、康复中心或其它公共场所，智能设备之间，包括监控摄像机，进行互通已经很常见。对于在特定空间内使用的外骨骼，本发明旨在利用已有的设备，以及结合成熟的图像识别技术，对外骨骼进行协同控制，以克服现有技术中存在的缺陷。

发明内容

[0004] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于物联网的外骨骼控制系统及方法，以克服现有的外骨骼协同控制中存在误判、滞后性等问题，并能够降低外骨骼的成本。

[0005] 一种基于物联网的外骨骼控制系统，包括控制器、至少一个摄像机、至少一个外骨骼，多个吸附式检测单元；

[0006] 所述吸附式检测单元包括感光点、加速度传感器、陀螺仪、磁体、壳体；所述感光点固定在壳体顶部，所述壳体内部安置有加速度传感器、陀螺仪；所述磁铁设置在壳体底部；所述吸附式检测单元吸附在外骨骼各关节部位；所述摄像头实时检测感光点，所述加速度传感器、陀螺仪与控制器无线连接；外骨骼最外层采用磁性材料；

[0007] 控制器分别与所述摄像机和所述外骨骼通信连接；

[0008] 摄像机安装在外骨骼使用者活动空间内，并用于采集外骨骼使用者活动空间内的感光点图像信息；

[0009] 控制器接受感光点图像信息，并结合吸附式检测单元检测中加速度传感器、陀螺仪的检测数据，可获取康复人员的步态特征，步态特征包括步幅、频率、基础步态曲线、主动康复模式下一个步行周期内不同阶段阻力系数；

[0010] 将步态特征与控制器中预存的康复人员历史步态特征数据对比，控制器对比康复恢复模型或恢复曲线，设定下次康复时外骨骼机器人运行参数。

[0011] 进一步的，所述外骨骼上不设置单独的运动意图和/或步态识别装置。

[0012] 进一步的，所述外骨骼上设置有可被控制器通过图像进行识别的外骨骼ID。

[0013] 进一步的，所述摄像机包括驱动装置，用于驱动摄像机进行全方位转动。

[0014] 进一步的，控制器与所述摄像机和所述外骨骼之间采用近距离通信方式进行连接。

[0015] 进一步的，近距离通信方式为蓝牙、WIFI或ZigBee。

[0016] 一种基于物联网的外骨骼控制方法，控制方法包括如下步骤：

[0017] 步骤1：设置在外骨骼活动空间内的摄像机实时采集外骨骼使用者活动空间内的图像，并将图像传输给控制器；

[0018] 步骤2：控制器对摄像机所采集的图像进行识别，判断图像内是否存在外骨骼设备；如果存在，则执行步骤3，如果不存在则返回步骤1；

[0019] 步骤3：根据上述图像进一步判断该外骨骼是否穿戴在使用者身上，如果是，则识别设置在外骨骼上的外骨骼ID，并使控制器与该外骨骼ID对应的外骨骼建立近距离通信连接；

[0020] 步骤4：控制器根据摄像机所采集的图像，对使用者的运动意图和/或步态进行识别，并根据识别结果对外骨骼进行控制，使其与使用者实现协同动作。

[0021] 进一步的，还包括：步骤5：控制器根据外骨骼使用者在图像内的位置，实时控制摄像机驱动装置进行动作，以调整摄像机的角度，对外骨骼使用者进行跟随，使外骨骼使用者始终处于图像的中心位置。

[0022] 进一步的，还包括：步骤6：控制器根据外骨骼使用者在图像内的位置，实时控制摄像机驱动装置进行动作，以调整摄像机的角度，以最大限度拍摄到外骨骼使用者的正面或侧面，从而更好地对运动意图或步态进行识别。

[0023] 进一步的，步骤4中，控制器根据摄像机所采集的图像，除对使用者的运动意图和/或步态进行识别外，还对使用者当前所处地形进行识别，并根据运动意图和/或步态进行识别结构以及地形识别结果，对外骨骼进行控制，使其与使用者实现协同动作。

[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

[0025] 本发明利用的外骨骼使用者活动空间内设置的摄像机以及控制器，均为该活动空间内原有的物联网设备，例如起到监控作用的摄像机和控制器。即，本发明利用外界现有的摄像机和控制器，以及成熟的图像识别技术，对在该活动空间内使用的外骨骼进行运动意图和/或步态识别方面的控制，基于这种方式，外骨骼上可以不设置单独的运动意图和/或步态识别装置，能够降低成本，并且摄像机和控制器均为原有的物联网设备，不需要额外增设。

[0026] 另外由于采用成熟的图像识别技术进行运动意图和/或步态识别，相对于物理传感器，其识别准确性更好，并且在时间上更加迅速，因为其在使用外骨骼的肢体动作前，可以通过使用者其它肢体的相关动作，来判断使用者的运动意图。

附图说明

[0027] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

[0028] 图1为本发明的外骨骼控制系统示意图。

[0029] 图2为本发明的控制器与外骨骼之间的通信连接示意图。

[0030] 图3为本发明的外骨骼控制方法流程图。

[0031] 图4为本发明的吸附式检测单元结构示意图。

[0032] 图5为本发明吸附式检测单元安装示意图。

具体实施方式

[0033] 以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

[0034] 实施例一

[0035] 如图1、2所示，本实施例所述的基于物联网的外骨骼控制系统，包括控制器2、至少一个摄像机1、至少一个外骨骼3；控制器分别与所述摄像机和所述外骨骼通信连接；摄像机安装在外骨骼使用者活动空间内，例如安装在墙壁上，或者立柱上等，并用于实时采集外骨骼使用者活动空间内的图像；外骨骼使用者活动空间，指的是外骨骼的使用者所处的空间，或者是预设的外骨骼使用者可以在其中进行活动的空间，例如家里、医院、康复中心等场所，活动空间可以是封闭的，也可以是开放的。控制器用于获取并识别摄像机所采集的图像，以识别外骨骼使用者的运动意图和/或步态，并根据识别结果控制外骨骼的动作。利用图像来识别使用者的运动意图和/或步态，具体来讲，可以通过图像识别的方式来实时判断使用者的身体姿态，来识别使用者的运动意图，例如，当通过图像识别出使用者处于坐姿但上身前倾时，则判断使用者有要开始起身向前运动的意图。也可以通过预设的肢体动作，来表示特定的运动意图，当使用者做出特定的肢体动作时，控制器可以识别出对应的运动意图，例如，使用者向前挥舞手掌，表示要向前行走的意图，使用者向左或向右扭头两次，则表示要向左或向右转向，控制器通过摄像机采集的图像识别出使用者向前挥舞手掌时，则将运动意图识别使用者要向前行走，当检测到使用者向左或向右连续扭头两次时，则将运动意图识别使用者要向左或向右转向。对于步态的识别，可以通过控制器进行图像识别，以实时获取人体运动姿态，例如关节运动角度、步幅等信息，来实时识别步态，当然也可以在控制器中预存多种步态，每种步态可以预设步幅和步频，并通过预设的肢体动作，来表示特定的步态，例如，使用者伸出一个手指，代表使用者将以预设的第一种步态进行行走，伸出两个手指，代表使用者将以预设的第二种步态进行行走，控制器通过图像识别预设的肢体动作，来获取使用者的步态。当然，在进行运动意图和/或步态识别时，如果控制器检测到预设的肢体动作，则按照该肢体动作对应的运动意图和/或步态来对外骨骼进行控制，否则，则通过图像识别实时检测使用者的身体姿态和/或运动姿态，来识别运动意图和/或步态，并对外骨骼进行控制。

[0036] 也就是说，利用外置的摄像机和控制器来进行运动意图和/或步态识别，代替了传统外骨骼设备上安装的运动意图和/或步态识别装置。当然，控制器还可以同时对使用者当前所处地形进行识别，并根据运动意图和/或步态进行识别结构以及地形识别结果，并根据识别结果控制外骨骼的动作。根据识别结果控制外骨骼动作，可以是控制器将使用者的运动意图和/或步态作为输入信号提供给外骨骼的主控系统，外骨骼的主控系统据此来控制外骨骼进行动作，也可以直接由控制器根据识别结果来直接控制外骨骼的动力装置，此时控制器也起到了外骨骼主控系统的功能。控制外骨骼的动作，主要是针对外骨骼的动力装置进行控制，至少包括对外骨骼助力大小、动作速度快慢、摆动角度的控制。

[0037] 如图4、5，所述吸附式检测单元6包括感光点1、加速度传感器3、陀螺仪4、磁体5、壳体2；

[0038] 所述感光点1固定在壳体2顶部，所述壳体2内部安置有加速度传感器3、陀螺仪4；所述磁铁5设置在壳体2底部；所述吸附式检测单元6吸附在外骨骼7各关节部位；所述摄像头实时检测感光点，所述加速度传感器、陀螺仪与控制器无线连接；

[0039] 本发明针对的是在特定活动空间(包括但不限于使用者的家里、医院、康复中心等)内使用的外骨骼，通常认为，使用者不会穿戴该外骨骼设备离开上述空间。当外骨骼处于使用者活动空间内时，可以通过活动空间内的摄像机和控制器进行图像识别，以获取使用者的运动意图和/或步态。因此，外骨骼上无需设置单独的运动意图和/或步态识别装置，这样就降低了外骨骼的制造成本。

[0040] 外骨骼上设置有外骨骼ID，控制器可以获取图像中处于工作状态下的外骨骼的外骨骼ID，并与该外骨骼ID对应的外骨骼建立通信连接。外骨骼ID可以是设置在外骨骼外部的序号，也可以是特定的图案等，只要是可以用来确定该外骨骼的身份的方式即可。

[0041] 进一步的，如果摄像机拍摄到的图像内存在多个外骨骼，那么控制器能够分别对每个外骨骼是否穿戴在使用者身上、使用者的运动意图和/或步态、以及外骨骼ID进行识别。

[0042] 摄像机包括驱动装置，用于驱动摄像机进行全方位转动。由于使用者在移动，因此，为了保持拍摄的最佳角度，可以控制摄像机驱动装置动作，来使摄像机对使用者进行跟随拍摄。当存在多个外骨骼设备同时处于工作状态时，可以控制摄像机的角度，使所有处于工作状态的外骨骼能够同时被摄像机拍摄到。

[0043] 控制器与所述摄像机和所述外骨骼通信之间采用近距离通信近距离方式进行连接。近距离通信方式可以采用蓝牙、WIFI或ZigBee，采用近距离通信方式，能够保证控制器与摄像机与外骨骼不会距离太远，也限定了外骨骼使用者的活动范围，避免其离开预设的活动空间遇到危险。

[0044] 外骨骼设备上还可以设置有提醒装置，当外骨骼使用者移动到近距离通信距离之外时，即脱离与控制器的通信范围时，外骨骼上的提醒装置利用声光和/或震动的方式对使用者或者陪护人员进行提醒。

[0045] 实施例二

[0046] 如图3所示，本实施例所述的基于物联网的外骨骼控制方法，可以利用实施例一种的外骨骼控制系统，控制方法包括：

[0047] 步骤1：设置在外骨骼活动空间内的至少一个摄像机实时采集外骨骼使用者活动空间内的图像，并将图像传输给控制器；

[0048] 步骤2：控制器对摄像机所采集的图像进行识别，判断图像内是否存在外骨骼设备；如果存在，则执行步骤3，如果不存在则返回步骤1；

[0049] 步骤3：根据上述图像进一步判断该外骨骼是否穿戴在使用者身上，如果是，则识别设置在外骨骼上的外骨骼ID，并使控制器与该外骨骼ID对应的外骨骼建立近距离通信连接；

[0050] 步骤4：控制器根据摄像机所采集的图像，对使用者的运动意图和/或步态进行识别，并根据识别结果对外骨骼进行控制，使其与使用者实现协同动作。

[0051] 进一步的，还包括：步骤5：控制器根据外骨骼使用者在图像内的位置，实时控制摄像机驱动装置进行动作，以调整摄像机的角度，对外骨骼使用者进行跟随。

[0052] 所述对外骨骼使用者进行跟随，是指，使外骨骼使用者始终处于图像的中心位置，或者以最大限度拍摄到外骨骼使用者的正面或侧面。使外骨骼使用者始终处于图像的中心位置，能够最大限度的拍摄到使用者周围的情况，这样能够方便控制器更好的感知使用者周围的信息，而以最大限度拍摄到外骨骼使用者的正面或侧面，是由于从正面或侧面能够更准确的对运动意图或步态进行判断，因此，采用这种跟随方式能够更好地对运动意图或步态进行识别。

[0053] 当然，如果同时存在多个处于工作状态的外骨骼设备，也可以选择使所有处于工作状态的外骨骼能够同时被摄像机拍摄到，来对摄像机进行控制。

[0054] 进一步的，步骤4中，控制器根据摄像机所采集的图像，除对使用者的运动意图和/或步态进行识别外，还对使用者当前所处地形进行识别，并根据运动意图和/或步态进行识别结构以及地形识别结果，对外骨骼进行控制，使其与使用者实现协同动作。

[0055] 在控制时，结合地形识别结果，一方面能够更好的消除误判，另一方面还能够根据当前地形结果对使用者的运动意图和/或步态进行预判，以更好的辅助使用者行走。对地形进行识别，包括但不限于对地面的平整度、障碍物、楼梯的识别。当处于特殊地形时，使用者可能会采用特定的行走方式，例如当发现地面不平整(例如有坑)或有障碍物，可以合理预期使用者可能会选择加大步幅迈过或选择绕过不平整地面或障碍物，通过这种预期可以对使用者的运动意图和/或步态进行预判。

[0056] 基于这种控制方式，外骨骼上可以不设置单独的运动意图和/或步态识别装置，能够降低成本，并且摄像机和控制器均为原有的物联网设备，不需要额外增设。另外由于采用成熟的图像识别技术进行运动意图和/或步态识别，相对于物理传感器，其识别准确性更好，并且在时间上更加迅速。

[0057] 如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

[0058] 需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

[0059] 上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。