一種判斷外骨骼助行機器人穿戴者下肢行動意圖的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及到可穿戴式下肢外骨骼機器人，具體來說是一種判斷外骨骼助行機器 人穿戴者下肢行動意圖的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人類總是無法避免衰老，體力衰老和腦力衰老過程速度不同但相互影響。對于很 多老年人，體力特別是下肢衰老后，活動范圍受到限制，較少社交活動，生活環(huán)境封閉，反過 來加速了腦部衰老進程，形成一種惡性循環(huán)。隨著人口老齡化的程度地加深，年輕勞動力負 擔(dān)社會生產(chǎn)的責(zé)任只會越來越重，老年人人均獲得的護理服務(wù)量極有可能呈現(xiàn)逐步減少的 趨勢。利用技術(shù)手段增加老年人自身的活動能力不失為一種解決辦法。常見協(xié)助老年人擴 大活動范圍的裝置，如電動輪椅，并不能完全適合樓梯，臺階一類城市生活環(huán)境。相應(yīng)地，可 穿戴式助行機器人似乎比輪椅更適合用來幫助老年人行走。
[0003] 隨著技術(shù)進步，能用于制造外骨骼機器人的各種關(guān)鍵部件已經(jīng)變得價格低廉。低 功耗高性能的計算機已經(jīng)普遍裝備于智能手機一類的便攜式設(shè)備中，能產(chǎn)生上百公斤力的 小尺寸液壓裝置在自動化領(lǐng)域中廣泛運用。各種壓力傳感器，角度傳感器和陀螺儀等部件 已經(jīng)是成熟的產(chǎn)品。單從成本上來說，助行機器人完全是普通家庭可以輕松負擔(dān)的。另外， 機器人自動平衡技術(shù)也在不斷進步，穿戴助行機器人就如同坐輪椅一樣地簡單。比如申請 號為CN201310184590的專利請求就提出了一種老年人防摔倒外骨骼助行機器人的控制方 法。
[0004] 但是，到目前為止，外骨骼機器人還只見于軍事領(lǐng)域和科技領(lǐng)域的相關(guān)報道，很難 看到這類產(chǎn)品出現(xiàn)在生活中，幫助老年人解決活動范圍受限的痛苦。這是由于目前的外骨 骼機器人還缺少一種簡便可靠的，識別穿戴者下肢運動意圖的方法。
[0005] 外骨骼機器人必須先要識別出穿戴者的行動意圖，然后才能幫助穿戴者實現(xiàn)行動 意圖。問題在于行動意圖是從人意識產(chǎn)生通過神經(jīng)系統(tǒng)傳遞到肌肉，整個過程都在人體內(nèi) 部完成。如果不在人體內(nèi)植入探測器，那就只能在人體外部通過各種間接的方法來測量。申 請?zhí)枮镃N201210355661的專利請求提到了一種腦電帽，通過貼在腦外的若干干電極檢查 大腦興奮點來判斷外骨骼機器人穿戴者的行動意圖。不過并沒有提到大腦興奮點是如何具 體反映人的運動想法的，其實就目前的科技水平而言，可以直接檢測人腦思想的方法還不 存在。
[0006] 其余判斷外骨骼機器人穿戴者行動意圖的非植入式方法大致可分為兩類：跟隨人 體動作，或者手動操作。這兩種方法各有其缺陷，不適合用于以幫助老年人行走為目的外骨 骼助行機器人。
[0007] 跟隨人體動作，就是先檢測出人體實際的動作，然后外骨骼機器人再對人體運動 進行補償和增強。使用這種方法，穿戴者的運動先要在一定程度上受到外骨骼或傳感器 的阻礙，然后才能獲得外骨骼機器人的助力，這勢必增加不必要的體力消耗。例如申請?zhí)?CN200810214409的專利請求，提出了一種外骨骼系統(tǒng)的力控制方法，通過足底傳感器和關(guān) 節(jié)角度傳感器實現(xiàn)對人體運動的準(zhǔn)確跟蹤獲取人體運動意圖，其效果是減小了人機作用 力。而申請?zhí)枮镃N200980118437專利請求，通過某種外骨骼機器人的動作，減少穿戴者氧 氣損耗，其技術(shù)背景中也提到了準(zhǔn)被動式外骨骼機器人對穿戴者造成的額外負擔(dān)?？偟膩?說，通過跟隨人體動作來判斷穿戴者運動意圖的外骨骼機器人，比較適合用于幫助體力正 常的穿戴者獲取超越人類肌肉極限的力量，比如美國洛克希德.馬丁公司的"浩克"，可以 幫助穿戴著它的士兵背負91公斤的物資同時保持16公里的步行時速。但這種方法不適合 幫助弱體力者維持正常運動。
[0008] 手動操作，就是穿戴者有意識地操作某種輸入設(shè)備，將行動意圖明確地告訴 外骨骼機器人的操作方法。比如直接操作控制面板上的按鈕，操縱桿等，例如申請?zhí)?CN201180018302專利請求所提及的外骨骼機器人帶有兩個操作手柄。也可能是其它樣式的 控制裝置，例如例如申請?zhí)朇N201110350834和CN201410160962專利請求所分別提及的外 骨骼機器人均利用拐杖來控制。手動操作也可包括其它和穿戴者意圖實施的動作無直接關(guān) 聯(lián)的手勢或姿勢，例如申請?zhí)朇N201180044355專利請求除了拐杖的控制方法，還涉及了一 種利用上身和頭部動作控制外骨骼機器人下身運動的方法，其實施例中提到利用預(yù)定義的 上身動作來標(biāo)示穿戴者運動意圖，例如上下拍打上臂三次可以觸發(fā)外骨骼機器人的"行走 模式"，頭部前傾表示向前，頭部右傾表示右轉(zhuǎn)?？傊謩硬僮鞑粫屚夤趋罊C器人對穿戴 者的運動意圖產(chǎn)生誤解，也不會消耗過多的體力，甚至下身運動能力損傷的殘疾人也可以 使用。比如新西蘭雷克斯公司的上市產(chǎn)品Rewalk，該外骨骼機器人是用手柄控制的。不過 各種手動操作方法均需要學(xué)習(xí)相應(yīng)的操作技能，才能享受到外骨骼機器人帶來的便利。考 慮到老年人學(xué)習(xí)新事物能力不能和其年輕的時候相比，存在學(xué)習(xí)困難，遺忘和混淆操作動 作等問題，所以對他們來說，這種方法也不是很適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對手動操作的外骨骼助行機器人存在需要額外學(xué)習(xí)操作技能的不便，提 出了一種利用穿戴者上身無意識動作和習(xí)慣性動作判斷其下肢運動意圖的方法。人在長期 生活中養(yǎng)成的動作習(xí)慣，是不需要額外學(xué)習(xí)的，而且也包含著豐富的信息。一般人完成下 肢行走和起坐動作時，小腦為了維持人體平衡，會帶來一系列上身習(xí)無意識動作。比如擺 動手臂，調(diào)節(jié)上身重心。還有一些長期養(yǎng)成的習(xí)慣，比如注視目標(biāo)，從坐下起身時雙手撐膝 蓋。因此充分利用上身無意識動作和習(xí)慣動作，綜合考慮當(dāng)前姿勢，就可以準(zhǔn)確地判斷下身 的行動意圖。既不需要下肢產(chǎn)生各種實際的運