CN112296983B - 外骨骼设备及其控制方法、控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种外骨骼设备及其控制方法、控制装置，其中，所述控制方法包括：实时接收传感系统中角度传感器、惯性传感器和/或压力传感器发送的检测信号；对角度传感器、惯性传感器和/或压力传感器的检测信号进行展宽处理，以延长检测信号的作用时间；根据展宽处理后角度传感器、惯性传感器和/或压力传感器的检测信号实时监测是否发生预触地事件或者预离地事件；若发生预触地事件，则进入预触地态；在预触地态控制动力系统对骨架机构输出力矩；若发生预离地事件，则进入预离地态；在预离地态控制动力系统停止对骨架机构输出力矩并跟随骨架机构转动。本发明使得外骨骼设备可以在支撑态和摆动态之间平稳切换，提高了外骨骼设备的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及可穿戴外骨骼领域，具体涉及一种外骨骼设备及其控制方法、控制装置。
背景技术
人类在日常工作生活中常常遇到希望增强人体腿部力量和耐力的情况，可穿戴外骨骼设备是满足这一类应用的装置。外骨骼设备在使用时需要准确检测穿戴者的运动意图，并适时提供适度助力才能很好地发挥外骨骼设备的助力效果。现有技术中，外骨骼设备不能及时、准确地识别穿戴者的运动意图，从而造成外骨骼设备在切换助力操作时比较生硬，且切换过程中容易造成反复切换甚至振荡，使得外骨骼设备的稳定性不好。
发明内容
基于现有技术的问题，本发明提供一种外骨骼设备及其控制方法、控制装置。
本发明提出一种外骨骼设备，包括骨架机构、主控单元、动力系统和传感系统；
所述骨架机构包括腰背机构、大腿杆、小腿杆、髋关节和膝关节；所述腰背机构用于通过腰部绑带与穿戴者的腰背部固定；所述大腿杆用于通过大腿绑带与所述穿戴者的大腿固定，且其通过所述髋关节与所述腰背机构旋转联接；所述小腿杆用于通过小腿绑带与所述穿戴者的小腿固定，且其通过所述膝关节与所述大腿杆旋转联接；
所述主控单元、所述动力系统和所述传感系统安装在所述骨架机构上，且所述主控单元分别电连接所述动力系统和所述传感系统，其中，所述动力系统用于向所述骨架机构输出力矩或跟随所述骨架机构转动，所述主控单元用于接收所述传感系统的检测信号，并控制所述动力系统工作；
所述传感系统与所述主控单元电连接，其包括若干角度传感器、若干惯性传感器和若干压力传感器，所述角度传感器设置在所述髋关节和/或膝关节上，用于检测所述大腿杆与所述腰背机构的相对角度和/或所述大腿杆与所述小腿杆的相对角度；所述惯性传感器设置在所述腰背机构、所述大腿杆、所述小腿杆和/或所述穿戴者的足部上，用于检测所述腰背机构、所述大腿杆、所述小腿杆和/或所述穿戴者的足部对地加速度和/或对地角速度；所述压力传感器用于设置在所述穿戴者足底，用于检测所述穿戴者足底对地的压力。
进一步，所述压力传感器包括气鞋垫和气压计芯片，所述气鞋垫包括柔性薄膜密封围合形成的薄片状腔体结构，所述腔体结构内填充有气体，所述气压计芯片设置于所述腔体结构内，且其信号通过导线穿过所述腔体结构的腔壁引出到所述气鞋垫外；其中，所述气鞋垫受到按压时其所述腔体结构内部气压会发生变化，所述气压变化为所述气压计芯片所感知，从而测量出所述气鞋垫所承受的压力。
进一步，所述气鞋垫的腔体结构内设置有所述惯性传感器，且所述惯性传感器的信号通过所述导线穿过所述腔体结构的腔壁引出到气鞋垫外，以使所述惯性传感器通过所述气鞋垫安装在所述穿戴者的足部。
进一步，所述惯性传感器安装在所述腰背机构、所述大腿杆和所述小腿杆上时，其安装在所述腰背机构的腰部绑带、所述大腿杆的大腿绑带和所述小腿杆的小腿绑带上，以使所述惯性传感器更加灵敏、可靠。
本发明还提出一种外骨骼设备控制方法，运行于上述任意一项所述外骨骼设备的主控单元上，其包括以下步骤：
实时接收所述传感系统中所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器发送的检测信号；
对所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行展宽处理，以延长所述检测信号的作用时间；
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行运算组合或逻辑组合，通过判断所述运算组合/逻辑组合是否到达设定门限值实时监测是否发生预触地事件或者预离地事件；
若发生所述预触地事件，则进入预触地态；
在所述预触地态控制所述动力系统停止跟随所述骨架机构转动并对所述骨架机构输出力矩；
若发生所述预离地事件，则进入预离地态；
在所述预离地态控制所述动力系统停止对所述骨架机构输出力矩并跟随所述骨架机构转动；其中，
所述预触地态是摆动态到支撑态之间的临时状态，所述预离地态是所述支撑态到所述摆动态之间的临时状态。
进一步，所述根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行运算组合或逻辑组合，通过判断所述运算组合/逻辑组合是否到达设定门限值实时监测是否发生预触地事件或者预离地事件的步骤包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第一运算组合/逻辑组合；
判断所述第一运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预触地启动门限值；
若所述第一运算组合/逻辑组合结果超过所述预触地启动门限值，则确认发生所述预触地事件；或者，
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第二运算组合/逻辑组合；
判断所述第二运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预离地启动门限值；
若所述第二运算组合/逻辑组合结果超过所述预离地启动门限值，则确认发生预离地事件。
进一步，所述若发生所述预触地事件，则进入预触地态的步骤之后还包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第三运算组合/逻辑组合；
判断所述第三运算组合/逻辑组合结果是否达到预设的触地启动门限值；
若所述第三运算组合/逻辑组合结果达到所述触地启动门限值，则确认发生所述触地事件。
若发生所述触地事件，则进入所述支撑态；
在所述支撑态控制所述动力系统停止跟随所述骨架机构转动并对所述骨架机构输出力矩。
进一步，所述若发生所述预触地事件，则进入预触地态的步骤之后还包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第四运算组合/逻辑组合；
判断所述第四运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预触地退出门限值；
若所述第四运算组合/逻辑组合结果超过所述预触地退出门限值，则确认发生所述未触地事件；
若发生所述未触地事件，则退出所述预触地态，返回所述摆动态。
进一步，所述若发生所述预触地事件，则进入预触地态的步骤之后还包括：
预设预触地计时时限并启动预处理计时器以计算所述预触地态的持续时间；
判断所述预触地态的持续时间是否超过所述预触地计时时限；
若所述预触地态的持续时间超过所述预触地计时时限，则退出所述预触地态，返回所述摆动态。
进一步，所述若发生所述预离地事件，则进入预离地态的步骤之后还包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第五运算组合/逻辑组合；
判断所述第五运算组合/逻辑组合结果是否达到预设的离地启动门限值；
若所述第五运算组合/逻辑组合结果达到所述离地启动门限值，则确认发生所述离地事件；
若发生所述离地事件，则进入所述摆动态；
在所述摆动态控制所述动力系统停止对所述骨架机构输出力矩并跟随所述骨架机构转动。
进一步，所述若发生所述预离地事件，则进入预离地态的步骤之后还包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第六运算组合/逻辑组合；
判断所述第六运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预离地退出门限值；
若所述第六运算组合/逻辑组合结果超过所述预离地退出门限值，则确认发生所述未离地事件；
若发生所述未离地事件，则退出所述预离地态，返回所述支撑态。
进一步，所述若发生所述预离地事件，则进入预离地态的步骤之后还包括：
预设预离地计时时限并启动预处理计时器以计算所述预离地态的持续时间；
判断所述预离地态的持续时间是否超过所述预离地计时时限；
若所述预离地态的持续时间超过所述预离地计时时限，则退出所述预离地态，返回所述支撑态。
进一步，所述若发生所述预触地事件，则进入预触地态步骤之后按预触地进程百分比控制所述动力系统停止跟随所述骨架机构转动并对所述骨架机构输出力矩，所述预触地进程百分比采用下述一种方法进行计算或用多种方法进行计算后再进行运算组合/逻辑组合，以实现所述外骨骼设备的摆动态切换到支撑态时助力的连续性与平稳性：
设定触地启动门限值；根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第七运算组合/逻辑组合；根据所述第七运算组合/逻辑组合结果接近所述触地启动门限值程度计算所述预触地进程百分比；
设定预触地退出门限值；根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第八运算组合/逻辑组合；根据所述第八运算组合/逻辑组合结果接近所述预触地退出门限值程度计算所述预触地进程百分比；
设定预触地计时时限，根据所述预触地态的持续时间与所述预触地计时时限的比值计算所述预触地进程百分比。
进一步，所述若发生所述预离地事件，则进入预离地态步骤之后按预离地进程百分比控制所述动力系统停止对所述骨架机构输出力矩并跟随所述骨架机构转动，所述预离地进程百分比采用下述一种方法进行计算或用多种方法进行计算后再进行运算组合/逻辑组合，以实现所述外骨骼设备的支撑态切换到摆动态时助力的连续性与平稳性：
设定离地启动门限值；根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第九运算组合/逻辑组合；根据所述第九运算组合/逻辑组合结果接近所述离地启动门限值程度计算所述预离地进程百分比；
设定预离地退出门限值；根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第十运算组合/逻辑组合；根据所述第十运算组合/逻辑组合结果接近所述预离地退出门限值程度计算所述预离地进程百分比；
设定预离地计时时限，根据所述预离地态的持续时间与所述预离地计时时限的比值计算所述预离地进程百分比。
进一步，所述预触地计时时限根据当前检测到的步频/步速调整，其中，所述步频/步速越高所述预触地计时时限越短，所述外骨骼设备的响应时间越快。
进一步，所述预离地计时时限根据当前检测到的步频/步速调整，其中，所述步频/步速越高所述预离地计时时限越短，所述外骨骼设备的响应时间越快。
进一步，所述预触地启动门限值或所述预离地启动门限值根据所述穿戴者的运动速度或步频调整，所述运动速度越快或所述步频越高，所述预触地启动门限值或所述预离地启动门限值越低。
进一步，所述实时接收所述传感系统中所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器发送的检测信号的步骤之前还包括：
不断检测足底压力最大值和最小值，记录最小平均值为0，即无外部压力；记录最大平均值为人体重量，以校准安装在所述足底的压力传感器。
进一步，所述展宽处理的方法包括但不限于定时保持、低通滤波、正态分布处理、衰减处理或以上任意组合。
本发明还提出一种外骨骼设备控制装置，其特征在于，配置于上述任意一项所述外骨骼设备的主控单元，其包括：
接收模块，用于实时接收所述传感系统中所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器发送的检测信号；
展宽模块，用于对所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行展宽处理，以延长所述检测信号的作用时间；
监测模块，用于根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行运算组合或逻辑组合，通过判断所述运算组合/逻辑组合是否到达设定门限值实时监测是否发生预触地事件或者预离地事件；
第一切换模块，用于若发生所述预触地事件，则进入预触地态；
第一输出模块，用于在所述预触地态控制所述动力系统对所述骨架机构输出力矩；
第二切换模块，用于若发生所述预离地事件，则进入预离地态；
第二输出模块，用于在所述预离地态控制所述动力系统停止对所述骨架机构输出力矩并跟随所述骨架机构转动；其中，
所述预触地态是摆动态到支撑态之间的临时状态，所述预离地态是所述支撑态到所述摆动态之间的临时状态。
本发明的有益效果：穿戴者穿上外骨骼设备后，通过外骨骼设备上设置角度传感器、惯性传感器和压力传感器可以监测到穿戴者的运动意图，进而更好地助力穿戴者运动。在外骨骼设备控制方法中，通过在进入支撑态前设置预触地态，可使得穿戴者在产生进入支撑态的意图时就给穿戴者提供助力，通过在进入摆动态前设置预离地态，可使得穿戴者在产生进入摆动态的意图时就撤回给穿戴者提供助力，有效避免了外骨骼设备由于主控单元反应较慢而不能及时、准确地识别穿戴者的运动意图，从而造成外骨骼设备在切换助力操作时比较生硬，且切换过程中容易造成反复切换甚至振荡的情况发生，使得外骨骼设备的稳定性更好，穿戴者的体验效果更佳。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种外骨骼设备的部分结构示意图；
图2是图1中动力系统的结构示意图；
图3是图1中压力传感器的结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的一种外骨骼设备控制方法的示意流程图；
图5是本发明一实施例提供的预触地态、支撑态、预离地态和摆动态之间的状态转移逻辑框图；
图6是本发明一实施例提供的一种检测信号展宽处理的示意图；
图7是本发明一实施例提供的一种外骨骼设备控制装置的示意性框图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、水平、竖直等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的“连接”可以是直接连接，也可以是间接连接，所述的“设置”、“设置于”、“设于”可以是直接设于，也可以是间接设于。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参见图1至图3，图1是本发明一实施例提供的一种外骨骼设备的部分结构示意图；图2是图1中动力系统的结构示意图；图3是图1中压力传感器25的结构示意图；在本实施例中，外骨骼设备包括骨架机构1、主控单元3、动力系统和传感系统；骨架机构1包括腰背机构11、大腿杆13、小腿杆15、髋关节12和膝关节14；腰背机构11用于通过腰部绑带111与穿戴者的腰背部固定；大腿杆13用于通过大腿绑带131与穿戴者的大腿固定，且其通过髋关节12与腰背机构11旋转联接；小腿杆15用于通过小腿绑带(151、152)与穿戴者的小腿固定，且其通过膝关节14与大腿杆13旋转联接；主控单元3、动力系统和传感系统安装在骨架机构1上，且主控单元3分别电连接动力系统和传感系统，其中，动力系统用于向骨架机构1输出力矩或跟随骨架机构1运动，主控单元3用于接收传感系统的检测信号，并控制动力系统工作；传感系统与主控单元3电连接，其包括若干角度传感器(22、23)、若干惯性传感器(21、24、26)和若干压力传感器25，角度传感器(22、23)设置在髋关节12和/或膝关节14上，用于检测大腿杆13与腰背机构11的相对角度和/或大腿杆13与小腿杆15的相对角度；惯性传感器(21、24、26)设置在腰背机构11、大腿杆13、小腿杆15和/或穿戴者足部上，用于检测腰背机构11、大腿杆13、小腿杆15和/或穿戴者足部对地加速度和/或对地角速度；压力传感器25用于设置在穿戴者足底，用于检测穿戴者足底对地的压力。
在本实施例中，穿戴者穿上外骨骼设备后，通过外骨骼设备上设置角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和压力传感器25可以监测到穿戴者的运动意图，进而更好地助力穿戴者运动，其中，大腿杆13与腰背机构11的相对角度即是穿戴者的躯干与大腿的相对角度；大腿杆13与小腿杆15的相对角度即是穿戴者的大腿和小腿的相对角度。
在一可选实施例中，例如本实施例中，压力传感器25包括气鞋垫251和气压计芯片252，气鞋垫251包括柔性薄膜密封围合形成的薄片状腔体结构，腔体结构内填充有气体，气压计芯片252设置于腔体结构内，且其信号通过导线253穿出腔体结构的腔壁引出到气鞋垫251外，以与主控单元3连接；其中，气鞋垫251受到按压时其腔体结构内部气压会发生变化，气压变化为气压计芯片252所感知，从而测量出气鞋垫251所承受的压力。本实施例中，压力传感器25柔软舒适，可靠性较高。
在一可选实施例中，例如本实施例中，气鞋垫251的腔体结构内设置有惯性传感器(21、24、26)，且惯性传感器(21、24、26)的信号通过导线253穿过腔体结构的腔壁引出到气鞋垫251外，以使惯性传感器(21、24、26)通过气鞋垫251安装在穿戴者的足部。
在一可选实施例中，例如本实施例中，导线253与腔体壁之间设置密封胶以防止漏气。
在一可选实施例中，例如本实施例中，惯性传感器(21、24、26)安装在腰背机构11、大腿杆13和小腿杆15上时，其安装在腰背机构11的腰部绑带111、大腿杆13的大腿绑带131和小腿杆15的小腿绑带(151、152)上，由于腰部绑带111、大腿杆13和小腿杆15紧贴穿戴者身体，所以可以以使惯性传感器(21、24、26)更加灵敏、可靠。
在一可选实施例中，例如本实施例中，如图2所示，动力系统包括动力模块41及传动拉索42；动力模块41设置于腰背机构11上，其包括动力基座411和动力输出端412，动力基座411和腰背机构11固定联接，传动拉索42一端连接动力输出端412且固定在动力输出端412的固定端421上，另一端穿出套管422并绕过髋关节12后与膝关节14联接；动力模块41在主控单元3的控制下，其动力输出端412可以相对于动力基座411转动，从而可以拉紧或放松传动拉索42，拉紧传动拉索42时，与其相连的膝关节14带动穿戴者的膝关节14伸展；放松传动拉索42时，髋关节12和膝关节14均处于自由转动状态，穿戴者下肢可以自由伸展或屈膝。动力模块41内带有扭矩传感器及编码器，分别可以测量动力输出扭矩和转动速度，从而可以在主控单元3的控制下按设定大小输出力矩或者按照设定速度拉紧或放松传动拉索42。
在本实施例中，外骨骼设备工作时，传感系统将检测信号传输给主控单元3，主控单元3通过对检测信号进行计算分析即可识别穿戴者的运动意图，判断出穿戴者当前足部是处于触地的支撑态ST还是处于离地的摆动态SW：如果处于支撑态ST，则控制动力模块41收紧传动拉索42，从而使得外骨骼设备的大腿杆13和小腿杆15伸展，向穿戴者传动伸展力矩，协助穿戴者下肢支撑其躯干的重量；如果处于摆动态SW，则控制动力模块41放松传动拉索42，从而使得外骨骼设备的髋关节12和膝关节14均可以自由转动，使穿戴者下肢摆动不受外骨骼设备的限制。
在本实施例中，由于外骨骼设备使用时，主控单元3需要及时、准确且可靠地判断穿戴者足部的支撑态ST和摆动态SW连续切换的过程，即，触地和离地的连续切换过程，才能及时控制动力系统给予助力、撤回助力等处理，但现有技术中，支撑态ST和摆动态SW连续切换的过程没有任何一种传感器可以连续感测到，惯性传感器(21、24、26)可以最先感知触地或离地的瞬时加速度或角速度的变化，之后基本失效；角度传感器(22、23)可以感知触地和离地切换过程中穿戴者的膝关节14或髋关节12的角度变化，但与穿戴者行走姿态及地形环境密切相关，可靠性不高；压力传感器25可以感知触地和离地切换过程中穿戴者的足底按压地面的压力变化，但变化速度缓慢，且其本身特性限制及穿戴匹配因素的影响，压力传感数据不够准确，且波动较大；因此，造成了现有技术中主控单元3反应较慢，无法及时、准确地识别穿戴者的运动意图。
有鉴于此，本发明基于上述任意一项外骨骼设备的实施例，提出一种外骨骼设备控制方法，以解决外骨骼设备由于主控单元3反应较慢，不能及时、准确地识别穿戴者的运动意图，从而造成外骨骼设备切换助力操作时比较生硬，且切换过程中容易造成反复切换甚至振荡的问题。
参见图4和图5，图4是本发明一实施例提供的一种外骨骼设备控制方法的示意流程图；图5是本发明一实施例提供的预触地态PreCtk、支撑态ST、预离地态PreLift和摆动态SW之间的状态转移逻辑框图；在本实施例中，所述控制方法，运行于上述任意一项实施例所述外骨骼设备的主控单元3上，其包括以下步骤：
S10、实时接收传感系统中角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25发送的检测信号。
在本实施例中，角度传感器(22、23)的检测信号携带了包括大腿杆13与腰背机构11的相对角度和/或大腿杆13与小腿杆15的相对角度、髋关节12和/或膝关节14的角速度等信息。惯性传感器(21、24、26)的检测信号携带了包括腰背机构11、大腿杆13、小腿杆15和/或穿戴者足部对地加速度和/或对地角速度等信息。压力传感器25的检测信号携带了包括穿戴者足底对地的压力等信息。
在一可选实施例中，例如本实施例中，在接收压力传感器25的检测信号之前，还包括对压力传感器25进行校准处理，校准处理的方法包括：不断记录压力传感器25的最大值和最小值，以最小值的平均值为0，即无压力状态，最大值的平均值为人体重量PMAX。压力传感器25的门限值可以按PMAX的百分比来设置，且可以通过安装在足底的惯性传感器(21、24、26)感知的重力加速度来修正最大平均值，例如，PMAX＝PMAX/足底压力最大时足底重力加速度平均值，以减少穿戴者的运动加速度对足底压力测量的影响。
在一可选实施例中，例如本实施例中，步骤S10、实时接收传感系统中角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和压力传感器25发送的检测信号的步骤之后包括：
S101、根据惯性传感器(21、24、26)的检测信号计算腰背机构11、大腿杆13、小腿杆15和/或穿戴者足部对地的倾角，以获得穿戴者的姿态。
在本实施例中，根据惯性传感器(21、24、26)感知的重力加速度在三个轴的分量可以计算出惯性传感器(21、24、26)对地倾角，根据惯性传感器(21、24、26)的倾角可以得到腰背机构11、大腿杆13、小腿杆15和/或穿戴者足部对地的倾角，即，得到穿戴者的躯干、大腿、小腿和/或足部对地的倾角。
在本实施例中，为提高计算精度，可以结合惯性传感器(21、24、26)感知的三轴对地角速度来修正倾角，目前工业上常用的修正算法包括卡尔曼滤波或互补滤波等方法，在此不再赘述。
S102、根据穿戴者的重量分布特征估计其躯干、大腿、小腿和/或足部的重量及质心。
S103、根据穿戴者的姿态计算质心在地面的投影，并计算出质心与左右脚之间的距离。
在本实施例中，使用业界常用的计算方式估计穿戴者的躯干、大腿、小腿和/或足部的重量及质心，以及质心在地面的投影等，在此不再赘述。
S104、根据惯性传感器(21、24、26)的检测信号计算其对地运动速度。
在本实施例中，根据惯性传感器(21、24、26)感知的对地加速度减去重力分量进行积分可以求出惯性传感器(21、24、26)对地运动速度，此方法为业界常用的计算方法，在此不再赘述。在本实施例中，惯性传感器(21、24、26)对地运动速度等同于与其固定联接的躯干、大腿、小腿和/或足部对地运动速度。
S20、对角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25的检测信号进行展宽处理，以延长检测信号的作用时间。
在本实施例中，对检测信号进行展宽处理的方法包括但不限于定时保持、低通滤波、正态分布处理、衰减处理或以上任意组合等，例如，采用逻辑方法保持处理，判断逻辑为：
Acc_foot_BOOL＝(Acc_foot>THACC)；其中，
Acc_foot_BOOL是进行展宽处理后的检测信号，Acc_foot展宽处理前的检测信号，THACC为展宽处理前的检测信号门限值，如果Acc_foot_BOOL＝1，即，Acc_foot>THACC成立，则将检测信号延长一段时间。
又如，采用数学方法进行处理，计算公式为：
Acc_foot_HOLD＝Acc_foot+Acc_foot_HOLD*0.99，即，低通滤波叠加处理；
Acc_foot_HOLD＝limit(Acc_foot_HOLD，ACCLIMIT)，即，信号限幅；其中，Acc_foot_HOLD是进行展宽处理后的检测信号，Acc_foot是进行展宽处理前的检测信号，ACCLIMIT是Acc_foot_HOLD的最大幅值，其实施效果如图6所示，原有检测信号Acc_foot在时间上展宽为Acc_foot_HOLD检测信号。
在本实施例中，各个传感器作用的时间很短暂，且其检测信号发送到主控单元3的时间不完全一致，但这些检测信号都能一定程度反映穿戴者的运动状态，采用展宽处理将这些检测信号延长一定时间后，可以把各个传感器的检测信号叠加起来，以更好提取穿戴者的运动状态特征。
S30、根据展宽处理后角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25的检测信号进行运算组合或逻辑组合，通过判断运算组合/逻辑组合是否到达设定门限值实时监测是否发生预触地事件CtkPreEve或者预离地事件LiftPreEve。
在一可选实施例中，例如本实施例中，步骤S30包括以下步骤：
S301、根据展宽处理后角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25的检测信号进行第一运算组合/逻辑组合。
S302、判断第一运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预触地启动门限值。
S303、若第一运算组合/逻辑组合结果超过预触地启动门限值，则确认发生预触地事件CtkPreEve。
S304、根据展宽处理后角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25的检测信号进行第二运算组合/逻辑组合。
S305、判断第二运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预离地启动门限值。
S306、若第二运算组合/逻辑组合结果超过预离地启动门限值，则确认发生预离地事件LiftPreEve。
在一可选实施例中，例如本实施例中，第一运算组合采用线性加权的方法计算，其计算公式为：
CtkPreStartSensor＝Ka1*Acc_foot_y_HOLD+Kw1*W_knee_HOLD+Kw2*W_hip_HOLD+Kd1*D_torso_x；其中，
CtkPreStartSensor为第一运算组合结果，Ka1、Kw1、Kw2和Kd1为常数系数；Acc_foot_y_HOLD为本侧足部对地竖直方向的加速度，其可由安装在本侧足部的惯性传感器(21、24、26)测得；W_knee_HOLD为本侧膝关节14的角速度，其可由安装在本侧膝关节14的角度传感器(22、23)测得；W_hip_HOLD为本侧髋关节12的角速度，其可由安装在本侧髋关节12的角度传感器(22、23)测得；D_torso_x为躯干对地在水平方向的位移量，其可由躯干的质心的位移计算获得。
在本实施例中，当CtkPreStartSensor大于预触地启动门限值时，将发生下述任意一种情况或其组合：安装在本侧足部的惯性传感器(21、24、26)感知到足部对地冲击、安装在本侧的膝关节14或髋关节12上的角度传感器(22、23)感受到角速度突变或者躯干向前移动了一段位移等，预示本侧足部的触地事件CtkCfmEve已经开始发生，即穿戴者本侧足部开始有触地的运动意图，进入预触地态PreCtk。
在一可选实施例中，例如本实施例中，第二运算组合采用线性加权的方法计算，其计算公式为：
LiftPreStartSensor＝Kw3*W_foot_HOLD+Kw4*W_knee_HOLD+Kp1*(PMAX-P_foot)+Ka2*Acc_foot_y_HOLD；其中，
LiftPreStartSensor为第二运算组合结果；Kw3、Kw4、Kp1和Ka2为常数系数，W_foot_HOLD为本侧足部对地的角速度，其可通过安装在本侧足部的惯性传感器(21、24、26)测得；W_knee_HOLD为本侧膝关节14的角速度，其可通过安装在本侧膝关节14的角度传感器(22、23)测得；PMAX为本侧足底的最大压力值，其可由安装在本侧足部的压力传感器25测得；P_foot为本侧足底的实际压力值，其可由安装在本侧足部的压力传感器25测得；Acc_foot_y_HOLD为本侧足部对地竖直方向的加速度，其可由安装在本侧足部的惯性传感器(21、24、26)测得。
在本实施例中，当LiftPreStartSensor大于预离地启动门限值时，将发生下述任意一种情况或其组合：安装在本侧足部的惯性传感器(21、24、26)感知到足部以一定速度旋转离开地面、安装在本侧的膝关节14或髋关节12上的角度传感器(22、23)感受到角速度突变、安装在本侧足底的压力传感器25检测到足底的实际压力值减小到一定程度等，预示本侧足部的离地事件LiftCfmEve已经开始发生，即穿戴者本侧足部开始有离地的运动意图，进入预离地态PreLift。
在一些实施例中，第一运算组合结果和第二运算组合结果还可以通过相乘、相除、相减或以上任意组合的计算方式获得。第一逻辑组合结果和第二逻辑组合结果可用常规的逻辑计算方式获得。
S40、若发生预触地事件CtkPreEve，则进入预触地态PreCtk。
在一可选实施例中，例如本实施例中，步骤S40之后还包括：
S401、根据展宽处理后角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25的检测信号实时监测是否发生触地事件CtkCfmEve。
S402、若发生触地事件CtkCfmEve，则进入支撑态ST。
S403、在支撑态ST控制动力系统停止跟随骨架机构转动并对骨架机构1输出力矩。
在一可选实施例中，例如本实施例中，步骤S401包括以下步骤：
S4011、根据展宽处理后角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25的检测信号进行第三运算组合/逻辑组合。
S4012、判断第三运算组合/逻辑组合结果是否达到预设的触地启动门限值。
S4013、若第三运算组合/逻辑组合结果达到触地启动门限值，则确认发生触地事件CtkCfmEve。
在一可选实施例中，例如本实施例中，第三运算组合采用线性加权的方法计算，其计算公式为：
CtkCfmSensor＝Kp2*P_foot+Kp3*(PMAX-P_foot_o)+Ka3*Acc_foot_var_HOLD；其中，
CtkCfmSensor为第三运算组合结果，Kp2、Kp3和Ka3为常数系数，P_foot为本侧足底的实际压力值，其可由安装在本侧足部的压力传感器25测得；PMAX为本侧足底的最大压力值，其可由安装在本侧足部的压力传感器25测得，P_foot_o为对侧足底的实际压力值，其可由安装在对侧足部的压力传感器25测得；Acc_foot_var_HOLD为本侧足部对地加速度的波动均方差值，本侧足部对地加速度可由安装在本侧足部的惯性传感器(21、24、26)测得，对地加速度的波动均方差值可由现有技术中常规的计算方法获得。
在本实施例中，当CtkCfmSensor达到触地启动门限值时，将发生下述任意一种情况或其组合：本侧足底的实际压力值达到很高程度(比如最大值PMAX的80％)、对侧足底的实际压力值很小或安装在足部的惯性传感器(21、24、26)感知到足部加速度波动水平很低，预示穿戴者本侧足部已经踩稳，触地事件CtkCfmEve已经确认发生。
在一些实施例中，第三运算组合结果还可以通过相乘、相除、相减或以上任意组合的计算方式获得。第三逻辑组合结果可以通过常规的方式计算。
在一可选实施例中，例如本实施例中，步骤S40之后还包括：
S411、根据展宽处理后角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25的检测信号实时检测是否发生未触地事件UnCtkEve。
S412、若发生未触地事件UnCtkEve则退出预触地态PreCtk，返回摆动态SW。
在一可选实施例中，例如本实施例中，步骤S411包括以下步骤：
S4111、根据角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25的检测信号进行第四运算组合/逻辑组合。
S4112、判断第四运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预触地退出门限值。
S4113、若第四运算组合/逻辑组合结果超过预触地退出门限值，则确认发生未触地事件UnCtkEve。
在一可选实施例中，例如本实施例中，第四逻辑组合计算公式为：
CtkPreQuitSensor＝(P_foot<CTKPQUIT)||(W_foot_HOLD>WCTKQUI)；其中，
CtkPreQuitSensor为第四逻辑组合结果，P_foot为本侧足底的实际压力值，其可由安装在穿戴者本侧足部的压力传感器25测得；CTKPQUIT为本侧所述足底压力门限值；W_foot_HOLD为本侧足部对地的角速度，其可由安装在本侧足部的惯性传感器(21、24、26)测得；WCTKQUI为本侧足部对地角速度门限值。
在本实施例中，当CtkPreQuitSensor大于预触地退出门限值，例如，预触地退出门限值为1，当P_foot<CTKPQUIT和W_foot_HOLD>WCTKQUI同时成立时，CtkPreQuitSensor等于2大于1，将发生下述任意一种情况或其组合：本侧足底的实际压力值减小到一定程度、足部有离开地面角速度等，预示着穿戴者并未触地，需要退出预触地态PreCtk，返回摆动态SW。
在一些实施例中，第四运算组合结果可以通过加权、相乘、相除、相减或以上任意组合的计算方式获得。
在一可选实施例中，例如本实施例中，步骤S40之后还包括：
S421、预设预触地计时时限并启动预处理计时器以计算预触地态PreCtk的持续时间。
S422、判断预触地态PreCtk的持续时间是否超过预触地计时时限。
S423、若预触地态PreCtk的持续时间超过预触地计时时限，则退出预触地态PreCtk，返回摆动态SW。
S50、在预触地态PreCtk控制动力系统停止跟随骨架机构转动并对骨架机构1输出力矩。
在本实施例中，动力系统在支撑态ST之前的预触地态PreCtk即给骨架机构1施加助力，防止主控单元3因反应过慢而产生的不稳定问题出现，使摆动态SW到支撑态ST的连续动作可以平稳切换。
S60、若发生预离地事件LiftPreEve，则进入预离地态PreLift。
在一可选实施例中，例如本实施例中，步骤S60之后还包括：
S601、根据展宽处理后角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25的检测信号实时监测是否发生离地事件LiftCfmEve。
S602、若发生离地事件LiftCfmEve，则进入摆动态SW。
S603、在摆动态SW控制动力系统停止对骨架机构1输出力矩并跟随骨架机构1转动。
在一可选实施例中，例如本实施例中，步骤S601包括以下步骤：
S6011、根据展宽处理后角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25的检测信号进行第五运算组合/逻辑组合。
S6012、判断第五运算组合/逻辑组合结果是否达到预设的离地启动门限值。
S6013、若第五运算组合/逻辑组合结果达到离地启动门限值，则确认发生离地事件LiftCfmEve。
在一可选实施例中，例如本实施例中，第五运算组合采用线性加权的方法计算，其公式为：
LiftCfmSensor＝Kp4*(PMAX-P_foot)+Kd2*D_foot；其中，
LiftCfmSensor为第五运算组合结果；Kp4和Kd2为常数系数，P_foot为本侧足底的实际压力值；其可由安装在本侧足部的压力传感器25测得；PMAX为本侧足底的最大压力值；其可由安装在本侧足部的压力传感器25测得；D_foot为本侧足部的空间位移量；其可由本侧足部的质心的位移计算获得。
在本实施例中，当LiftCfmSensor值达到离地启动门限值时，将发生下述任意一种情况或其组合：本侧足部的实际压力值减小到接近于0、本侧足部空间位移量已经变化很大等，预示着离地事件LiftCfmEve已经确认发生。
在一些实施例中，第五逻辑组合可以通过常规的计算方式获得。
在一可选实施例中，例如本实施例中，步骤S60之后还包括：
S611、根据展宽处理后角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25的检测信号实时检测是否发生未离地事件UnLiftEve。
S612、若发生未离地事件UnLiftEve，则退出预离地态PreLift，返回支撑态ST。
在一可选实施例中，例如本实施例中，步骤S611包括以下步骤：
S6111、根据展宽处理后角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25的检测信号进行第六运算组合/逻辑组合。
S6112、判断第六运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预离地退出门限值。
S6113、若第六运算组合/逻辑组合结果超过预离地退出门限值，则确认发生未离地事件UnLiftEve。
在一可选实施例中，例如本实施例中，第六逻辑组合计算公式为：
LiftPreQuitSensor＝(P_foot>PLIFTQUIT1)||(Acc_foot_var_HOLD<ACTKQUIT)||(P_foot_o<PLIFTQUIT2)；其中，
LiftPreQuitSensor为第六逻辑组合结果，P_foot为本侧足底的实际压力值，其可由安装在本侧足部的压力传感器25测得；PLIFTQUIT1为本侧足底压力门限值；Acc_foot_var_HOLD为本侧足部对地加速度的波动均方差值，其中，本侧足部对地加速度可由安装在本侧足部的惯性传感器(21、24、26)测得，本侧足部对地加速度的波动均方差值可由现有技术中常规的计算方法获得；ACTKQUIT为本侧足部对地加速度的波动均方差值的门限值；P_foot_o为对侧足底的实际压力值，其可由安装在穿戴者对侧足部的压力传感器25测得；PLIFTQUIT2为对侧足底的实际压力值的门限值。
在本实施例中，当LiftPreQuitSensor大于预离地退出门限值，例如，预离地退出门限值设置为2，当P_foot>PLIFTQUIT1、Acc_foot_var_HOLD<ACTKQUIT和P_foot_o<PLIFTQUIT2同时成立时，LiftPreQuitSensor等于3大于2，将发生下述任意一种情况或其组合：本侧足底的实际压力值增加到一定程度、对侧足底的实际压力值减小或者安装在本侧足部的惯性传感器(21、24、26)波动很小(意味着脚踩稳)，预示穿戴者本侧足部并未离地，需要退出预离地态PreLift，返回支撑态ST。
在一些实施例中，第六运算组合可以通过加权、相乘、相除、相减或以上任意组合的计算方式获得。
在一可选实施例中，例如本实施例中，步骤S60之后还包括：
S621、预设预离地计时时限并启动预处理计时器以计算预离地态PreLift的持续时间。
S622、判断预离地态PreLift的持续时间是否超过预离地计时时限。
S623、若预离地态PreLift的持续时间超过预离地计时时限，则退出所述预离地态PreLift，返回所述支撑态ST。
在本实施例中，预触地计时时限和预离地计时时限可根据当前的步频/步速进行调整，步频/步速越高预触地计时时限和预离地计时时限越短，外骨骼设备的响应时间越快，其中，步频的计算包括：记录本次摆动态SW和支撑态ST切换动作与上一次摆动态SW和支撑态ST切换动作之间的时间间隔，取其倒数即为步频。
S70、在预离地态PreLift控制动力系统停止对骨架机构1输出力矩并跟随骨架机构1运动。
在本实施例中，动力系统在摆动态SW之前的预离地态PreLift即撤回给骨架机构1施加助力，防止主控单元3因反应过慢而产生的不稳定问题出现，使支撑态ST到摆动态SW的连续动作可以平稳切换。
在本实施例中，预触地态PreCtk是摆动态SW到支撑态ST之间的临时状态，预离地态PreLift是支撑态ST到摆动态SW之间的临时状态，主控单元3可以在支撑态ST之前的预触地态PreCtk以及摆动态SW之前的预离态就识别穿戴者的运动意图，避免了主控单元3反应较慢，不能及时、准确地识别穿戴者的运动意图，从而造成外骨骼设备切换助力操作时比较生硬，且切换过程中容易造成反复切换甚至振荡的问题出现。在一些实施例中，摆动态SW和支撑态ST还可以根据人体姿态再细分，例如，摆动态SW可以分为摆动初期、摆动后期等，支撑态ST可以分为脚踩平态、脚跟抬起态等，状态细分有利于助力效果细化，提高舒适性。
在一可选实施例中，例如本实施例中，若发生预触地事件，则进入预触地态步骤之后，按预触地进程百分比控制动力系统停止跟随骨架机构转动并对骨架机构输出力矩，预触地进程百分比采用下述一种方法进行计算或用多种方法进行计算后再进行运算组合/逻辑组合，以实现外骨骼设备的摆动态切换到支撑态时助力的连续性与平稳性：
根据展宽处理后角度传感器、惯性传感器和/或压力传感器的检测信号进行第七运算组合/逻辑组合；根据第七运算组合/逻辑组合结果接近触地启动门限值程度计算预触地进程百分比。
根据展宽处理后角度传感器、惯性传感器和/或压力传感器的检测信号进行第八运算组合/逻辑组合；根据第八运算组合/逻辑组合结果接近预触地退出门限值程度计算预触地进程百分比。
根据预触地态的持续时间与预触地计时时限的比值计算预触地进程百分比。
在一可选实施例中，例如本实施例中，若发生预离地事件，则进入预离地态步骤之后，按预离地进程百分比控制动力系统停止对骨架机构输出力矩并跟随骨架机构转动，预离地进程百分比采用下述一种方法进行计算或用多种方法进行计算后再进行运算组合/逻辑组合，以实现外骨骼设备的支撑态切换到摆动态时助力的连续性与平稳性：
根据展宽处理后角度传感器、惯性传感器和/或压力传感器的检测信号进行第九运算组合/逻辑组合；根据第九运算组合/逻辑组合结果接近离地启动门限值程度计算预离地进程百分比。
根据展宽处理后角度传感器、惯性传感器和/或压力传感器的检测信号进行第十运算组合/逻辑组合；根据第十运算组合/逻辑组合结果接近预离地退出门限值程度计算预离地进程百分比。
根据预离地态的持续时间与预离地计时时限的比值计算预离地进程百分比。
在本实施例中，预触地启动门限值或预离地启动门限值根据穿戴者的运动速度或步频调整，运动速度越快或步频越高，预触地启动门限值或预离地启动门限值越低。
在本实施例中，预触地退出门限值根据穿戴者的运动速度或步频调整，运动速度越快或步频越高，预触地启动门限值越高。
在本实施例中，预离地退出门限值根据穿戴者的运动速度或步频调整，运动速度越快或步频越高，预离地退出门限值越高。
在本实施例中，触地启动门限根据穿戴者的运动速度或步频调整，运动速度越快或步频越高，触地启动门限值越低。
在本实施例中，离地启动门限值根据穿戴者的运动速度或步频调整，运动速度越快或步频越高，离地启动门限值越低。
参见图7，图7是本发明一实施例提供的一种外骨骼设备控制装置的示意性框图；所述控制装置配置于上述任意一项实施例所述外骨骼设备的主控单元3，其包括：
接收模块10，用于实时接收所述传感系统中所述角度传感器(22、23)、所述惯性传感器(21、24、26)和/或所述压力传感器25发送的检测信号。
展宽模块20，用于对所述角度传感器(22、23)、所述惯性传感器(21、24、26)和/或所述压力传感器25的检测信号进行展宽处理，以延长所述检测信号的作用时间。
监测模块30，用于根据展宽处理后角度传感器(22、23)、惯性传感器(21、24、26)和/或压力传感器25的检测信号进行运算组合或逻辑组合，通过判断运算组合/逻辑组合是否到达设定门限值实时监测是否发生预触地事件CtkPreEve或者预离地事件LiftPreEve。
第一切换模块40，用于若发生所述预触地事件CtkPreEve，则进入预触地态PreCtk。
第一输出模块50，用于在所述预触地态PreCtk控制所述动力系统停止跟随骨架机构1转动并对所述骨架机构1输出力矩。
第二切换模块60，用于若发生所述预离地事件LiftPreEve，则进入预离地态PreLift。
第二输出模块70，用于在所述预离地态PreLift控制所述动力系统停止对所述骨架机构1输出力矩并跟随所述骨架机构1转动。
可选地，所述根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行运算组合或逻辑组合，通过判断所述运算组合/逻辑组合是否到达设定门限值实时监测是否发生预触地事件或者预离地事件的步骤包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第一运算组合/逻辑组合；
判断所述第一运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预触地启动门限值；
若所述第一运算组合/逻辑组合结果超过所述预触地启动门限值，则确认发生所述预触地事件；或者，
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第二运算组合/逻辑组合；
判断所述第二运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预离地启动门限值；
若所述第二运算组合/逻辑组合结果超过所述预离地启动门限值，则确认发生预离地事件。
可选地，所述若发生所述预触地事件，则进入预触地态的步骤之后还包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第三运算组合/逻辑组合；
判断所述第三运算组合/逻辑组合结果是否达到预设的触地启动门限值；
若所述第三运算组合/逻辑组合结果达到所述触地启动门限值，则确认发生所述触地事件。
若发生所述触地事件，则进入所述支撑态；
在所述支撑态控制所述动力系统停止跟随所述骨架机构转动并对所述骨架机构输出力矩。
可选地，所述若发生所述预触地事件，则进入预触地态的步骤之后还包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第四运算组合/逻辑组合；
判断所述第四运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预触地退出门限值；
若所述第四运算组合/逻辑组合结果超过所述预触地退出门限值，则确认发生所述未触地事件；
若发生所述未触地事件，则退出所述预触地态，返回所述摆动态。
可选地，所述若发生所述预触地事件，则进入预触地态的步骤之后还包括：
预设预触地计时时限并启动预处理计时器以计算所述预触地态的持续时间；
判断所述预触地态的持续时间是否超过所述预触地计时时限；
若所述预触地态的持续时间超过所述预触地计时时限，则退出所述预触地态，返回所述摆动态。
可选地，所述若发生所述预离地事件，则进入预离地态的步骤之后还包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第五运算组合/逻辑组合；
判断所述第五运算组合/逻辑组合结果是否达到预设的离地启动门限值；
若所述第五运算组合/逻辑组合结果达到所述离地启动门限值，则确认发生所述离地事件；
若发生所述离地事件，则进入所述摆动态；
在所述摆动态控制所述动力系统停止对所述骨架机构输出力矩并跟随所述骨架机构转动。
可选地，所述若发生所述预离地事件，则进入预离地态的步骤之后还包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第六运算组合/逻辑组合；
判断所述第六运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预离地退出门限值；
若所述第六运算组合/逻辑组合结果超过所述预离地退出门限值，则确认发生所述未离地事件；
若发生所述未离地事件，则退出所述预离地态，返回所述支撑态。
可选地，所述若发生所述预离地事件，则进入预离地态的步骤之后还包括：
预设预离地计时时限并启动预处理计时器以计算所述预离地态的持续时间；
判断所述预离地态的持续时间是否超过所述预离地计时时限；
若所述预离地态的持续时间超过所述预离地计时时限，则退出所述预离地态，返回所述支撑态。
可选地，所述若发生所述预触地事件，则进入预触地态步骤之后按预触地进程百分比控制所述动力系统停止跟随所述骨架机构转动并对所述骨架机构输出力矩，所述预触地进程百分比采用下述一种方法进行计算或用多种方法进行计算后再进行运算组合/逻辑组合，以实现所述外骨骼设备的摆动态切换到支撑态时助力的连续性与平稳性：
设定触地启动门限值；根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第七运算组合/逻辑组合；根据所述第七运算组合/逻辑组合结果接近所述触地启动门限值程度计算所述预触地进程百分比；
设定预触地退出门限值；根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第八运算组合/逻辑组合；根据所述第八运算组合/逻辑组合结果接近所述预触地退出门限值程度计算所述预触地进程百分比；
设定预触地计时时限，根据所述预触地态的持续时间与所述预触地计时时限的比值计算所述预触地进程百分比。
可选地，所述若发生所述预离地事件，则进入预离地态步骤之后按预离地进程百分比控制所述动力系统停止对所述骨架机构输出力矩并跟随所述骨架机构转动，所述预离地进程百分比采用下述一种方法进行计算或用多种方法进行计算后再进行运算组合/逻辑组合，以实现所述外骨骼设备的支撑态切换到摆动态时助力的连续性与平稳性：
设定离地启动门限值；根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第九运算组合/逻辑组合；根据所述第九运算组合/逻辑组合结果接近所述离地启动门限值程度计算所述预离地进程百分比；
设定预离地退出门限值；根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第十运算组合/逻辑组合；根据所述第十运算组合/逻辑组合结果接近所述预离地退出门限值程度计算所述预离地进程百分比；
设定预离地计时时限，根据所述预离地态的持续时间与所述预离地计时时限的比值计算所述预离地进程百分比。
可选地，所述预触地计时时限根据当前检测到的步频/步速调整，其中，所述步频/步速越高所述预触地计时时限越短，所述外骨骼设备的响应时间越快。
可选地，所述预离地计时时限根据当前检测到的步频/步速调整，其中，所述步频/步速越高所述预离地计时时限越短，所述外骨骼设备的响应时间越快。
可选地，所述预触地启动门限值或所述预离地启动门限值根据所述穿戴者的运动速度或步频调整，所述运动速度越快或所述步频越高，所述预触地启动门限值或所述预离地启动门限值越低。
可选地，所述实时接收所述传感系统中所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器发送的检测信号的步骤之前还包括：
不断检测足底压力最大值和最小值，记录最小平均值为0，即无外部压力；记录最大平均值为人体重量，以校准安装在所述足底的压力传感器。
可选地，所述展宽处理的方法包括但不限于定时保持、低通滤波、正态分布处理、衰减处理或以上任意组合。
上述控制装置中各个模块/单元的功能和作用的实现过程具体详见上述外骨骼设备控制方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备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，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。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (17)
1.一种外骨骼设备控制方法，所述外骨骼设备包括骨架机构、主控单元、动力系统和传感系统；
所述骨架机构包括腰背机构、大腿杆、小腿杆、髋关节和膝关节；所述腰背机构用于通过腰部绑带与穿戴者的腰背部固定；所述大腿杆用于通过大腿绑带与所述穿戴者的大腿固定，且其通过所述髋关节与所述腰背机构旋转联接；所述小腿杆用于通过小腿绑带与所述穿戴者的小腿固定，且其通过所述膝关节与所述大腿杆旋转联接；
所述主控单元、所述动力系统和所述传感系统安装在所述骨架机构上，且所述主控单元分别电连接所述动力系统和所述传感系统，其中，所述动力系统用于向所述骨架机构输出力矩或跟随所述骨架机构转动，所述主控单元用于接收所述传感系统的检测信号，并控制所述动力系统工作；其特征在于，
所述传感系统与所述主控单元电连接，其包括若干角度传感器、若干惯性传感器和若干压力传感器，所述角度传感器设置在所述髋关节和/或膝关节上，用于检测所述大腿杆与所述腰背机构的相对角度和/或所述大腿杆与所述小腿杆的相对角度；所述惯性传感器设置在所述腰背机构、所述大腿杆、所述小腿杆和/或所述穿戴者的足部上，用于检测所述腰背机构、所述大腿杆、所述小腿杆和/或所述穿戴者的足部对地加速度和/或对地角速度；所述压力传感器用于设置在所述穿戴者足底，用于检测所述穿戴者足底对地的压力；
所述外骨骼设备控制方法，运行于所述外骨骼设备的主控单元上，其包括以下步骤：
实时接收所述传感系统中所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器发送的检测信号；
对所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行展宽处理，以延长所述检测信号的作用时间；
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行运算组合或逻辑组合，通过判断所述运算组合/逻辑组合是否到达设定门限值实时监测是否发生预触地事件或者预离地事件；
若发生所述预触地事件，则进入预触地态；
在所述预触地态控制所述动力系统停止跟随所述骨架机构转动并对所述骨架机构输出力矩；
若发生所述预离地事件，则进入预离地态；
在所述预离地态控制所述动力系统停止对所述骨架机构输出力矩并跟随所述骨架机构转动；其中，
所述预触地态是摆动态到支撑态之间的临时状态，所述预离地态是所述支撑态到所述摆动态之间的临时状态；
所述根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行运算组合或逻辑组合，通过判断所述运算组合/逻辑组合是否到达设定门限值实时监测是否发生预触地事件或者预离地事件的步骤包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第一运算组合/逻辑组合；
判断所述第一运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预触地启动门限值；
若所述第一运算组合/逻辑组合结果超过所述预触地启动门限值，则确认发生所述预触地事件；或者，
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第二运算组合/逻辑组合；
判断所述第二运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预离地启动门限值；
若所述第二运算组合/逻辑组合结果超过所述预离地启动门限值，则确认发生预离地事件；
所述预触地启动门限值或所述预离地启动门限值根据所述穿戴者的运动速度或步频调整，所述运动速度越快或所述步频越高，所述预触地启动门限值或所述预离地启动门限值越低。
2.如权利要求1所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述压力传感器包括气鞋垫和气压计芯片，所述气鞋垫包括柔性薄膜密封围合形成的薄片状腔体结构，所述腔体结构内填充有气体，所述气压计芯片设置于所述腔体结构内，且其信号通过导线穿过所述腔体结构的腔壁引出到所述气鞋垫外；其中，所述气鞋垫受到按压时其所述腔体结构内部气压会发生变化，所述气压变化为所述气压计芯片所感知，从而测量出所述气鞋垫所承受的压力。
3.如权利要求2所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述气鞋垫的腔体结构内设置有所述惯性传感器，且所述惯性传感器的信号通过所述导线穿过所述腔体结构的腔壁引出到气鞋垫外，以使所述惯性传感器通过所述气鞋垫安装在所述穿戴者的足部。
4.如权利要求1所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述惯性传感器安装在所述腰背机构、所述大腿杆和所述小腿杆上时，其安装在所述腰背机构的腰部绑带、所述大腿杆的大腿绑带和所述小腿杆的小腿绑带上，以使所述惯性传感器更加灵敏、可靠。
5.如权利要求1所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述若发生所述预触地事件，则进入预触地态的步骤之后还包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第三运算组合/逻辑组合；
判断所述第三运算组合/逻辑组合结果是否达到预设的触地启动门限值；
若所述第三运算组合/逻辑组合结果达到所述触地启动门限值，则确认发生所述触地事件；
若发生所述触地事件，则进入所述支撑态；
在所述支撑态控制所述动力系统停止跟随所述骨架机构转动并对所述骨架机构输出力矩。
6.如权利要求1所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述若发生所述预触地事件，则进入预触地态的步骤之后还包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第四运算组合/逻辑组合；
判断所述第四运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预触地退出门限值；
若所述第四运算组合/逻辑组合结果超过所述预触地退出门限值，则确认发生未触地事件；
若发生所述未触地事件，则退出所述预触地态，返回所述摆动态。
7.如权利要求1所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述若发生所述预触地事件，则进入预触地态的步骤之后还包括：
预设预触地计时时限并启动预处理计时器以计算所述预触地态的持续时间；
判断所述预触地态的持续时间是否超过所述预触地计时时限；
若所述预触地态的持续时间超过所述预触地计时时限，则退出所述预触地态，返回所述摆动态。
8.如权利要求1所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述若发生所述预离地事件，则进入预离地态的步骤之后还包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第五运算组合/逻辑组合；
判断所述第五运算组合/逻辑组合结果是否达到预设的离地启动门限值；
若所述第五运算组合/逻辑组合结果达到所述离地启动门限值，则确认发生所述离地事件；
若发生所述离地事件，则进入所述摆动态；
在所述摆动态控制所述动力系统停止对所述骨架机构输出力矩并跟随所述骨架机构转动。
9.如权利要求1所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述若发生所述预离地事件，则进入预离地态的步骤之后还包括：
根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第六运算组合/逻辑组合；
判断所述第六运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预离地退出门限值；
若所述第六运算组合/逻辑组合结果超过所述预离地退出门限值，则确认发生未离地事件；
若发生所述未离地事件，则退出所述预离地态，返回所述支撑态。
10.如权利要求1所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述若发生所述预离地事件，则进入预离地态的步骤之后还包括：
预设预离地计时时限并启动预处理计时器以计算所述预离地态的持续时间；
判断所述预离地态的持续时间是否超过所述预离地计时时限；
若所述预离地态的持续时间超过所述预离地计时时限，则退出所述预离地态，返回所述支撑态。
11.如权利要求1所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述若发生所述预触地事件，则进入预触地态步骤之后按预触地进程百分比控制所述动力系统停止跟随所述骨架机构转动并对所述骨架机构输出力矩，所述预触地进程百分比采用下述一种方法进行计算或用多种方法进行计算后再进行运算组合/逻辑组合，以实现所述外骨骼设备的摆动态切换到支撑态时助力的连续性与平稳性：
设定触地启动门限值；根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第七运算组合/逻辑组合；根据所述第七运算组合/逻辑组合结果接近所述触地启动门限值程度计算所述预触地进程百分比；
设定预触地退出门限值；根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第八运算组合/逻辑组合；根据所述第八运算组合/逻辑组合结果接近所述预触地退出门限值程度计算所述预触地进程百分比；
设定预触地计时时限，根据所述预触地态的持续时间与所述预触地计时时限的比值计算所述预触地进程百分比。
12.如权利要求1所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述若发生所述预离地事件，则进入预离地态步骤之后按预离地进程百分比控制所述动力系统停止对所述骨架机构输出力矩并跟随所述骨架机构转动，所述预离地进程百分比采用下述一种方法进行计算或用多种方法进行计算后再进行运算组合/逻辑组合，以实现所述外骨骼设备的支撑态切换到摆动态时助力的连续性与平稳性：
设定离地启动门限值；根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第九运算组合/逻辑组合；根据所述第九运算组合/逻辑组合结果接近所述离地启动门限值程度计算所述预离地进程百分比；
设定预离地退出门限值；根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第十运算组合/逻辑组合；根据所述第十运算组合/逻辑组合结果接近所述预离地退出门限值程度计算所述预离地进程百分比；
设定预离地计时时限，根据所述预离地态的持续时间与所述预离地计时时限的比值计算所述预离地进程百分比。
13.如权利要求7所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述预触地计时时限根据当前检测到的步频/步速调整，其中，所述步频/步速越高所述预触地计时时限越短，所述外骨骼设备的响应时间越快。
14.如权利要求10所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述预离地计时时限根据当前检测到的步频/步速调整，其中，所述步频/步速越高所述预离地计时时限越短，所述外骨骼设备的响应时间越快。
15.根据权利要求1所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述实时接收所述传感系统中所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器发送的检测信号的步骤之前还包括：
不断检测足底压力最大值和最小值，记录最小平均值为0，即无外部压力；记录最大平均值为人体重量，以校准安装在所述足底的压力传感器。
16.如权利要求1所述外骨骼设备控制方法，其特征在于，所述展宽处理的方法包括但不限于定时保持、低通滤波、正态分布处理、衰减处理或以上任意组合。
17.一种外骨骼设备控制装置，其特征在于，配置于如权利要求1至4任意一项所述外骨骼设备控制方法的主控单元，其包括：
接收模块，用于实时接收所述传感系统中所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器发送的检测信号；
展宽模块，用于对所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行展宽处理，以延长所述检测信号的作用时间；
监测模块，用于根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行运算组合或逻辑组合，通过判断所述运算组合/逻辑组合是否到达设定门限值实时监测是否发生预触地事件或者预离地事件；
所述监测模块具体用于根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第一运算组合/逻辑组合；判断所述第一运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预触地启动门限值；若所述第一运算组合/逻辑组合结果超过所述预触地启动门限值，则确认发生所述预触地事件；或者，根据展宽处理后所述角度传感器、所述惯性传感器和/或所述压力传感器的检测信号进行第二运算组合/逻辑组合；判断所述第二运算组合/逻辑组合结果是否超过预设的预离地启动门限值；若所述第二运算组合/逻辑组合结果超过所述预离地启动门限值，则确认发生预离地事件；
其中，所述预触地启动门限值或所述预离地启动门限值根据所述穿戴者的运动速度或步频调整，所述运动速度越快或所述步频越高，所述预触地启动门限值或所述预离地启动门限值越低；
第一切换模块，用于若发生所述预触地事件，则进入预触地态；
第一输出模块，用于在所述预触地态控制所述动力系统对所述骨架机构输出力矩；
第二切换模块，用于若发生所述预离地事件，则进入预离地态；
第二输出模块，用于在所述预离地态控制所述动力系统停止对所述骨架机构输出力矩并跟随所述骨架机构转动；其中，
所述预触地态是摆动态到支撑态之间的临时状态，所述预离地态是所述支撑态到所述摆动态之间的临时状态。
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| CN112296983A (zh) | 2021-02-02 |
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