一种基于环境感知的外骨骼机器人步态自主决策方法

本发明属于自动控制领域，特别是机器人外骨骼的自动控制方法。

背景技术：

1、近几年有很多针对面向医疗康复和日常助行任务设计的下肢外骨骼机器人。当前外骨骼机器人在面向日常生活场景时，目前外骨骼机器人常采用固定步态，通过手势识别、语音识别、操作按键界面等方式进行人-机的信息和动作传递，缺乏人机系统与场景环境之间的交互，无法满足患者日常生活需求。

2、实际应用过程中，现有的外骨骼机器人能帮助患者在固定步态模式下进行康复训练，常见的典型地形有：行走、上下楼梯、上下斜坡；而人要走完一段全局路径，通常是由不同单一步态组合而成，如走路到上下楼梯是需要将平地走步态和上下楼梯步态组合而成。这不是一个简单的任务，需要考虑多种因素，如平地步态切换上楼梯步态，需要考虑当前与楼梯的距离、楼梯的高度等因素，以保证在合适的位置切换步态，并且能够安全的踏上台阶。当截瘫患者在面对复杂地形时，经常需要切换步态以适应外部环境的改变，而复杂地形中的环境感知是外骨骼机器人进行步态自主切决策的基础，能够自主决策适合当前地形的步态是急需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明解决了人机系统与环境之间的环境信息交互问题，基于点云卷积的地形参数识别可以为外骨骼机器人提供精确的信息，用于实时调整步态；实时高效且可靠的环境感知使机器人与环境交流变得更加自然、无障碍，提高了外骨骼机器人系统的智能化、人性化。

2、本发明技术方案为一种基于环境感知的外骨骼机器人步态自主决策方法，该方法包括三个模块：数据采集模块、环境感知模块、步态自主决策模块；

3、所述数据采集模块用于采集机器人行走时的图像的深度数据与rgb数据，并将数据传递给环境感知模块；

4、所述数据采集模块中的视觉传感器的最小范围设为外骨骼正前方3.5m以内，保证视觉传感器能实时看到当前位置下的前方信息；

5、所述环境感知模块包括：地面类型检测模块和地形尺寸参数检测模块，其中地形类型检测模块根据数据采集模块的rgb数据，所述地形尺寸参数检测模块，使用点云进行楼梯尺寸参数回归的环节，获取地形参数；

6、所述地面类型检测模块中的具体计算方法为：

7、将数据采集模块获取的rgb图经过图像预处理后，进入语义分割网络模型，并经区域检测结果分4类，楼梯、斜坡、平地、障碍物；

8、步骤a1：图像对齐；

9、将rgb图与深度图像进行对齐，使得深度图像与rgb图的像素相对应；

10、步骤a2：采用建立语义分割网络模型进行区域检测；

11、所述语义分割网络模型为将原始图像下采样8倍得到成特征图，将特征图输入到pyramid pooling module模块，pyramid pooling module模块的输出和特征图相加后经过卷积和8倍双线性差值上采样得到结果；

12、步骤a3：区域检测；

13、在对语义分割结果根据优先级的方式判断场景，判断优先级为：障碍物>楼梯>斜坡>平地；当感知区域内出现机器人目前完全无法行走的区域时，以障碍物场景处理，保留不可行走信息，作为额外的决策信息；当场景类别设为楼梯和平底时，进一步检测具体的参数信息；

14、所述地形尺寸参数检测模块的计算方法为：

15、步骤b1：点云处理；

16、步骤b11：坐标转换；

17、获得各个像素上色彩信息已及距离信息，将所有点云数据转化为同一个三维坐标系下的点云数据；

18、步骤b12：点云去噪；

19、首先是对点云进行体素下采样，再采用的是统计式离群点的方法去除离群点；

20、然后采用随机采样法，对每一张深度图像随机抽取出相同数量的点，作为新的点云数据；

21、步骤b2：将处理好的点云数据经过两组特征提取部分，提取点云的全局与局部特征并将其进行组合，再经过一次pointnet层，将上文得到的特征进行进一步提取，最后经过全连接层后，同时输出当前地形的尺寸参数；

22、所述步态自主决策模块；

23、通过倒立摆模型与脚底压力信息结合的方式获取机器人的运动状态；然后，在获取人机运动状态的基础上，融合环境感知信息对过渡地形的步态参数化描述，为了实现人机系统能够辅助人体运动，并根据人的运动意图，通过动态运动基元对摆动相末端轨迹调制，规划出适合穿戴者和环境特征的步态轨迹，并能根据环境信息做出单步动态调整；最后经过逆运动学即可求得摆动腿髋、膝关节角度，最终触发生成的步态轨迹满足人-机-环境的过渡地形步态需求；

24、步骤c1：步态参数化；

25、以保证穿戴者的安全为关键要素设置约束条件，定义的安全约束参数：

26、dmin、hmin：机器人上楼梯的最小安全距离和最小安全高度，即为踝关节距离楼梯的前向距离；

27、pstart：机器人步态转换阶段动态调整的起点，且pstart＞dsafe；

28、dsafe：机器人距离楼梯的可行走安全距离，dsafe＞ln+dmin，此处vn表示摆动腿的跨步长，保证落脚点与楼梯的前向距离为机器人上楼梯的最小安全距离；

29、ps_start：设定地形转换阶段与过渡阶段的过渡分界点，即平地步态最后一步的支撑腿位置；

30、lmax、hmax：常规平地地形中机器人可行走的最大跨步长度和最大高度；

31、根据对地形环境的模型，将转换阶段的地形参数描述为{pstart,d-dmin，li}，分别表示转换阶段的起点、进入过渡阶段摆动相在矢状面的落脚点和中间行走的不同步长长度；

32、同样，将过渡阶段的参数描述为{ps_start,pi_end,{hi},{li}}，分别表示过渡地形的起点和终点，此时终点表示摆动腿在第一台阶上的落脚点，hi、li分别表示对应楼梯的高度和宽度；

33、上楼梯过程与过渡阶段时，考虑前向台阶的hi、li，因此，描述为{pi_start,pi_end,{hi},{li}}，分别表示当前台阶的支撑点和前向台阶的落脚点；

34、为了实现外骨骼机器人以顺利、且自然的方式过渡上楼梯，需要先根据楼梯高度确定脚到楼梯的前向距离dmin，式中θ表示楼梯的倾斜度；

35、

36、步骤c2：转换阶段步态参数表示；

37、外骨骼机器人在靠近楼梯时的步态转换阶段时，把外骨骼机器人的步态参数化；在平地行走中，视为质心只有矢状面x轴方向变化，在z轴方向无变化的单步步长调整；确定摆动相起点坐标pstart、最大安全可行距离d-dmin以及单步步长序列li，描述如下式；

38、

39、结合对跨步长和步长之间的关系，得到两者之间的关系：

40、vi＝li+li-1

41、其中，vi表示行走时跨步长，li-1表示上一步行走步长；

42、考虑正常人在接近物体时的单步变步长行走，因此为单步步长增加权重系数ωi，其取值0＜ωi≤1，结合距离楼梯的前向距离d与机器人距离楼梯的可行走安全距离dsafe，步态参数的描述如下式所示；

43、

44、vi＝ωili+ωi-1li-1

45、li＝ωiln＜lmax

46、步骤c3：过渡阶段步态参数表示；

47、对于平地到楼梯的过渡阶段场景建模，根据平地到楼梯的过渡阶段的参数描述，包括地形分界面的点ps_start、第一台阶的落脚点pi_end以及第一台阶的高度和宽度h1、l1；当满足约束条件如下式时，保证外骨骼机器人安全过渡；

48、

49、因此，对过渡阶段的步长和步高为；

50、

51、h1＝h1+hmin

52、靠近前向楼梯最近安全距离的脚作为支撑腿，另一侧的摆动腿从过渡阶段分界点的位置，先到达第一台阶的踏面，并转化为支撑腿；此时另一侧的支撑腿变为摆动腿从距离楼梯最近安全距离的点到达下一个台阶的踏面上，完成平地与楼梯的过渡；

53、步骤c4：上楼梯阶段步态参数表示；

54、对上楼梯场景建模，根据正常人在楼梯中行走采用的是交叉式，结合上楼梯地形的参数描述，包括以当前台阶的落脚点位置作为起点pi_start、前向台阶的落脚点作为终点pi_end以及前向台阶的高度和宽度hi、li，因此上楼梯地形的步长和步高定义如下式所示：

55、

56、步骤c5：融合环境参数的步态自主决策；

57、当外骨骼机器人前向行走过程中检测到楼梯地形，决策的第一关键信息是楼梯尺寸和距离信息来判断外骨骼机器人是否需要变化步长靠近楼梯，并继续行走；根据步态参数和地形参数描述，当行走环境中无楼梯或者有楼梯但是前向距离d＞dsafe时，此时，人机系统行走会保持原有的步态轨迹；

58、当楼梯前向距离满足lmax＜d≤dsafe时，表示外骨骼机器人进入到转换阶段，需要动态调整单步步长；否则楼梯前向距离满足dmin＜d≤lmax时，并且楼梯的台阶尺寸未超出机器人的运动范围，表示外骨骼机器人进入到过渡阶段，需要重新计算楼梯的参数和摆动腿的起点位置，迈出过渡阶段的第一步，否则无法进入过渡阶段，不能进入新地形；

59、当dmin＞d时，表示前向距离较小，外骨骼机器人无法正常行走。

60、本发明不仅可以实现下肢外骨骼机器人与环境的感知交互能力，切换步态时不需要外部操作，有利于使用者的使用，还提高了患者穿戴下肢外骨骼机器人进行日常生活的舒适性，可以更顺利的完成一条全局路径。