本发明属于下肢训练机器人，具体涉及一种基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法及下肢训练机器人。
背景技术：
1、随着人口老龄化的日益加剧，越来越多的老年人因中风、心血管疾病等原因失去了下肢自主站立、行走功能，给日常生活带来了巨大不便，生活质量大幅下降，需要借助外部设备进行下肢行走康复训练，现有的轮式下肢训练机器人和康复穿戴设备能够为患者提供支撑和行走训练，其中行走训练是由患者带动下肢训练机器人移动或下肢训练机器人带动患者移动，不论哪种方式患者在行走训练过程中都容易出现人机不协调的问题，由于人体的运动轨迹难以准确预测控制，导致人机之间的柔顺性较低、患者训练过程中的舒适度降低；另外一些传统的康复机器人大多只是带动患者行走，难以对下肢关节肌肉受损的患者进行有效的训练，无法协助患者提高腿部能力，改善步态。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种预测运动意向从而提高人机交互的柔顺性及协调性的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法及下肢训练机器人。
2、基于上述目的，本发明通过如下技术方案实现：
3、一种基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，下肢训练机器人包括轮式移动平台，用来执行机器人的移动，轮式移动平台前后各包括两个底轮，轮式移动平台通过减重系统与上方的骨盆机构连接，骨盆机构左右两侧设有外骨骼机械腿，外骨骼机械腿内置外骨骼电机，外骨骼机械腿由导纳控制方法控制跟随人体的腿部运动；包括以下步骤：
4、步骤1、通过实验采集人体行走的步态参数，将步态参数作为输入进行仿真分析得到人体行走时的步态变化数据，结合人体步态周期的站立相和摆动相，构建步长步速预测模型，拟合得到行走时关节角度、步长、步速的变化曲线；所述步态参数包括人体行走的实时位置、速度及加速度信息。
5、步骤2、根据步长步速预测模型预测生成人体下一步的步速变化，同时利用导纳控制方法控制下肢训练机器人的外骨骼机械腿跟随人体的腿部运动，外骨骼机械腿根据步长步速预测模型生成的下一步步态参数对人体腿部施加一定的抬腿阻力。
6、步骤3、根据步骤2生成的人体下一步的步速变化，利用pi控制算法控制下肢训练机器人的底轮运动，使下肢训练机器人与人体的行走速度及步态保持一致，实现对下肢训练机器人和人体的轮腿协调控制。
7、根据上述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，优选地，在步骤1中，获得关节角度变化数据的步骤为：利用下肢训练机器人上的动作捕捉系统采集人体行走过程中位移坐标变化数据，对采集得到的坐标数据进行逆运动学仿真求解，得到关节角度的变化数据；对得到的关节角度数据与步态周期的关系进行拟合，建立关节角度的变化曲线；
8、所述关节角度的变化数据为：
9、
10、雅可比矩阵的元素计算公式：
11、
12、其中，pi表示下肢行走标记点的第i个坐标分量(x、y或z)；qj表示j个关节角度；jij表示每个关节角度的微小变化对标记位置的变化的影响。
13、根据上述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，优选地，在步骤1中，拟合关节角度变化曲线的步骤为：结合步态周期分析关节角度的变化数据，得到关节角度的变化曲线，采用正弦函数的形式拟合得到关节角度的变化曲线：
14、
15、其中，aq是振幅，用于表示关节角度的变化幅度；t表示步态周期的长度；表示相位偏移，用于调整函数的起始相位；b表示垂直偏移量，用于调整函数的基准线；
16、采用多个正弦函数的组合拟合得到关节角度的变化曲线：
17、
18、其中，n表示正弦函数的数量，表示n个正弦函数的相位偏移量，bn表示n个正弦函数的垂直偏移量。
19、根据上述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，优选地，在步骤1中，所述步长根据人体行走时腿部最大角度和腿长进行计算，步长的计算公式为：
20、
21、其中，lstep表示步长；ll表示腿长；表示髋关节带动前腿摆动的角度；表示髋关节带动后腿摆动的角度。
22、根据上述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，优选地，在步骤1中，所述步长被视为一个周期性变化，受步态周期的影响，同时受人体行走时腿部最大角度变化以及人体腿长的影响，采用正弦函数的形式拟合得到步长的变化曲线：
23、
24、其中，a是步长的振幅，表示步长的变化范围；t表示步态周期；表示相位偏移量；k表示调节腿部最大角度变化对步长影响的系数；m表示腿部最大角度变化量；mmax表示腿部最大角度变化量的最大可能变化值。
25、根据上述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，优选地，在步骤2中，所述步速为人体前进方向速度的变化，利用步长步速预测模型生成步速的步骤为：
26、vstep(ti)＝lstep(ti)×fstep(ti)；
27、其中，vstep表示步速，lstep表示步长，fstep表示步频；
28、通过监测人体在不同步态时相下的步长和步频变化，生成人体下一步的步速变化，根据前进方向步速的变化，调整机器人轮腿的转速和运动参数，以匹配人体的行走速度和步态；确保机器人能够适应人体的行走速度，并与人体的步态保持协调。
29、根据上述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，优选地，在步骤2中，所述步频根据下肢训练机器人上的传感器判定的人体步态的支撑相和摆动相以及步态周期进行计算；所述支撑相为从脚跟着地到脚尖离地的阶段；所述摆动相为从脚尖离地到脚跟着地的阶段；
30、根据不同步态时相中支撑相和摆动相的变化规律，在人体抬腿时的摆动相下，利用下肢训练机器人的外骨骼机械腿施加一定的抬腿阻力，用于患者的下肢肌力训练；
31、所述外骨骼机械腿施加抬腿阻力的步骤为：开始—判断时相—是否进入摆动相—是，外骨骼机械腿施加阻力—是否进入支撑相—是，外骨骼机械腿停止施加阻力—返回继续判断时相；所述外骨骼机械腿采用导纳控制方法控制，检测末端受力，调整末端速度，施加适当阻力。
32、根据上述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，优选地，在步骤3中，所述底轮运动的控制方法为：根据预测生成人体下一步的步速变化计算底轮的期望转速，采用pi控制算法控制底轮按照期望转速转动；所述底轮运动的计算公式为；
33、edl(t)＝ωe(t)-ωn(t)；
34、
35、ωdl＝ωn(t)+σdl(t)；
36、其中，edl表示底轮目标速度与实际速度误差；ωe表示期望速度；ωn表示当前速度；σdl表示根据pi控制计算底轮前进速度的调整量；kp表示比例增益；ki表示积分增益；ωdl表示下一时刻底轮前进速度；
37、计算底轮当前速度ω时首先判断底轮上一时刻速度ωt-1是否超出预测速度值，若超出预测值，则只累加负偏差，若未超出预测值，则累加正偏差。
38、利用上述基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法的下肢训练机器人，包括用来执行机器人移动、协助患者进行步行训练的轮式移动平台，轮式移动平台前后各包括两个底轮，轮式移动平台通过减重系统与轮式移动平台上方的骨盆机构相连接，骨盆机构左右两侧对称设置有外骨骼机械腿，外骨骼机械腿内置有外骨骼电机，外骨骼机械腿通过左右两侧的支撑臂连接在骨盆机构上。
39、优选地，所述轮式移动平台通过左右两侧的纵向支撑平台与减重系统连接，减重系统通过滚珠丝杠与骨盆机构连接，外骨骼机械腿固连在骨盆机构上；所述轮式移动平台上设有控制柜；所述外骨骼机械腿提供辅助协助人体行走的动力，同时能够在行走时施加一定的抬腿阻力，用于患者的下肢肌力训练；所述减重系统用于控制身体重心在垂直面上的移动，减重系统通过滚珠丝杠将动力传递至骨盆机构，提供人体支撑，减轻人体的足底压力。
40、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
41、1、本发明通过采集了人体步态参数数据，根据步态变化数据、步长步速预测模型拟合了关节角度、步长、步速曲线，采用导纳控制方法控制外骨骼机械腿，并在训练中通过外骨骼机械腿对人体腿部施加一定阻力，轮式移动平台的底轮则通过pi控制算法进行控制，使轮式移动平台与人体步行轨迹适配；本发明的控制方法简单易行，高效准确。
42、2、本发明通过步态时相中支撑相、摆动相及步态参数、步长步速预测模型、采用导纳控制方法控制外骨骼机械腿、通过pi控制算法控制调节康复训练行走过程中人机交互不协调的问题；充分地利用步态时相预测人体行走的运动意图，将其与外骨骼机械腿、底轮控制进行有机结合，从而保证患者在行走训练时能够实现人机交互的协调性和柔顺性。
43、3、本发明根据轮式平台的期望移动速度与腿部实际移动关系，修改底轮pi控制器的输入误差值，输入的pi误差为目标移动速度与实际移动速度的误差调节系数；当调节系数为正值时，即实际前进方向上的速度大于预测的期望速度，此时实际误差转变为协调误差，在控制器中表现为实际速度超过预期跟踪速度，则会提高输出速度，保证跟踪，从而保持人机协调一致性；反之，调节系数为负值时，即实际前进方向上的速度小于预测的期望速度，实际误差转变为协调误差，在控制器中表现为预期速度超过实际速度，则降低输出速度，保持患者行走与康复机器人协调运动。
44、4、本发明的利用导纳控制方法控制外骨骼机械腿，依据步态时相预测患者下一时刻是否处于摆动相再结合抬腿角度等步态参数施加抬腿阻力，通过改变阻尼系数、弹簧系数给患者提供阻力；当腿部速度增加时，为提高肌力训练，增加人机交互力，在提高轮腿协调的同时对患者肌力进行必要的训练。
45、5、本发明通过实验采集人体的行走数据，步态参数拟合生成期望轨迹，下肢训练机器人根据初始步态参数生成的预定义轨迹确定下一时刻的前进速度，增强人机之间的协调，避免患者在与下肢训练机器人交互的行走训练时导致底轮或腿部滞后等柔顺性不佳问题，提升两者之间的协调关系，提高患者使用下肢训练机器人的柔顺性；外骨骼机械腿则根据患者行走时关节转角变化规律对患者施加一定的抬腿阻力，增强患者的肌力训练。
1.一种基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，其特征在于，在步骤1中，获得关节角度变化数据的步骤为：利用下肢训练机器人上的动作捕捉系统采集人体行走过程中位移坐标变化数据，对采集得到的坐标数据进行逆运动学仿真求解，得到关节角度的变化数据；
3.根据权利要求2所述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，其特征在于，在步骤1中，拟合关节角度变化曲线的步骤为：结合步态周期分析关节角度的变化数据，得到关节角度的变化曲线，采用正弦函数的形式拟合得到关节角度的变化曲线：
4.根据权利要求1所述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，其特征在于，在步骤1中，所述步长根据人体行走时腿部最大角度和腿长进行计算，步长的计算公式为：
5.根据权利要求4所述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，其特征在于，在步骤1中，所述步长为周期性变化，采用正弦函数的形式拟合得到步长的变化曲线：
6.根据权利要求1所述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，其特征在于，在步骤2中，所述步速为人体前进方向速度的变化，利用步长步速预测模型生成步速的步骤为：
7.根据权利要求6所述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，其特征在于，在步骤2中，所述步频根据下肢训练机器人上的传感器判定的人体步态的支撑相和摆动相以及步态周期进行计算；所述支撑相为从脚跟着地到脚尖离地的阶段；所述摆动相为从脚尖离地到脚跟着地的阶段；
8.根据权利要求1所述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法，其特征在于，在步骤3中，所述底轮运动的控制方法为：根据预测生成人体下一步的步速变化计算底轮的期望转速，采用pi控制算法控制底轮按照期望转速转动；所述底轮运动的计算公式为；
9.一种利用权利要求1-8任一所述的基于步态时相的下肢训练机器人轮腿协调控制方法的下肢训练机器人，其特征在于，包括用来执行机器人移动、协助患者进行步行训练的轮式移动平台，轮式移动平台前后各包括两个底轮，轮式移动平台通过减重系统与轮式移动平台上方的骨盆机构相连接，骨盆机构左右两侧对称设置有外骨骼机械腿，外骨骼机械腿内置有外骨骼电机，外骨骼机械腿通过左右两侧的支撑臂连接在骨盆机构上。
10.根据权利要求9所述的下肢训练机器人，其特征在于，所述轮式移动平台通过左右两侧的纵向支撑平台与减重系统连接，减重系统通过滚珠丝杠与骨盆机构连接，外骨骼机械腿固连在骨盆机构上；所述轮式移动平台上设有控制柜；所述外骨骼机械腿提供辅助协助人体行走的动力，同时能够在行走时施加一定的抬腿阻力，用于患者的下肢肌力训练；所述减重系统用于控制身体重心在垂直面上的移动，减重系统通过滚珠丝杠将动力传递至骨盆机构，提供人体支撑，减轻人体的足底压力。
