一种基于主动式悬浮背包的非时间依赖的控制方法、系统、介质及主动式悬浮背包

本技术涉及机器人设计领域，尤其涉及一种基于主动式悬浮背包的非时间依赖的控制方法、系统、介质及主动式悬浮背包。

背景技术：

1、负重行走一直是人类社会中常见的活动，使用悬浮背包能够提高人体负载能力并且降低代谢能消耗。其中，被动式悬浮背包能够通过弹性悬挂减少负载在垂直方向上的位移并降低背包对人体的压力，但其弹性环节的刚度阻尼等参数难以调整，不能适应不同的穿戴者、不同的负载重量以及不同的运动状况。而主动式悬浮背包则可以通过电机的调节克服上述一系列问题，因此主动式悬浮背包日渐成为当前主流。

2、在现有的主动式悬浮背包的控制技术中，可以利用基于扰动观测器的控制器来降低负重行走时负载在竖直方向上的加速度，也可以利用压力传感器和阻抗控制使悬浮背包对人体肩部的压力稳定在相对较小的值。但是，这些控制策略的输入输出量的采集需要依赖于时间，例如，压力传感器按照时间变化采集压力数据，并没有将行人步态的周期特性考虑其中。因此，现有控制策略极度依赖于时间，无法在人体步行速度变化时适应性减轻用户负担。

技术实现思路

1、为了解决或者部分解决现有技术中的控制策略极度依赖于时间，无法在人体步行速度变化时适应性减轻用户负担的技术问题，本发明提供了一种基于主动式悬浮背包的非时间依赖的控制方法、系统、介质及主动式悬浮背包，利用以步态相位为自变量的参数化期望曲线作为系统输入来消除悬浮背包控制系统对时间的依赖，并且控制所述主动式悬浮背包对用户行走速度的改变做出响应，促使主动式悬浮背包在用户步行速度变化时适应性减轻用户负担。

2、为解决上述技术问题，本发明的第一方面，公开了一种基于主动式悬浮背包的非时间依赖的控制方法，所述方法包括：

3、利用以步态相位为自变量的参数化期望曲线作为系统输入：以消除控制系统对时间的依赖，并且控制所述主动式悬浮背包的电机根据所述系统输入输出相应控制力对用户行走速度的改变做出响应；其中，u(·)表示所述系统输入，gc表示步态相位，用于表征用户负重行走时步行速度变化的不同，ω表示步行频率，表示所述参数化期望曲线，a(ω)表示所述参数化期望曲线中的幅值且可调节，f(·)表示所述参数化期望曲线中的预设函数，表示所述参数化期望曲线中的步态相位差且可调节。

4、可选的，所述参数化期望曲线和所述主动式悬浮背包在未施加主动控制时分布于用户肩部的动态载荷相关；或者，所述参数化期望曲线和用户行走时的质心位移变化或者所述主动式悬浮背包的位移变化相关。

5、可选的，所述参数化期望曲线中的幅值a(ω)、所述参数化期望曲线中的步态相位差采用下述步骤得到：

6、构建目标优化函数：其中，表示在系统初始输入为且所述主动式悬浮背包由过渡过程达到稳定状态后的优化目标，的函数类型跟随所述预设函数f(·)的类型进行适应性变化；其中，a0(ω)表示系统初始化时的幅值，表示系统初始化时的步态相位差；

7、确定用户匀速行走时的匀速步行速度v0，并根据步行速度与步行频率的关系式确定所述匀速步行速度v0对应的匀速步行频率ω0；其中，ω表示步行频率，v表示步行速度，s表示用户身高；

8、利用所述匀速步行频率ω0约束所述目标优化函数，得到约束后的所述目标优化函数其中，a(ω0)表示利用所述匀速步行频率ω0约束后的幅值，表示利用所述匀速步行频率ω0约束后的步态相位差；

9、以求解的最优解为目标，采用迭代法对进行迭代，得到满足最优解时的幅值a(ω)和步态相位差

10、可选的，所述构建目标优化函数：之后，所述方法还包括：

11、确定用户变速行走时的步行速度范围，并根据步行速度与步行频率的关系式确定所述步行速度范围内的每个步行速度对应的步行频率；

12、利用每个步行频率分别约束所述目标优化函数，得到所述每个步行频率各自对应的约束后的所述目标优化函数；

13、针对任一步行频率ωi，以求解对应约束后的目标优化函数的最优解为目标，采用迭代法对a(ωi)、进行迭代，得到满足最优解时的幅值a(ω)和步态相位差其中，i∈[1,n]，n表示所述步行频率的个数，a(ωi)表示利用所述步行频率ωi约束后的幅值，表示利用所述步行频率ωi约束后的步态相位差。

14、可选的，所述得到满足最优解时的幅值a(ω)和步态相位差之后，所述方法还包括：

15、基于所述各个步行频率对应满足最优解时幅值a(ω)进行拟合，得到关于步行频率的幅值函数；

16、基于所述各个步行频率对应满足最优解时步态相位差进行拟合，得到关于步行频率的步态相位差函数。

17、可选的，其中，fshoulder表示肩部动态载荷，表示单个步态周期内用户负重行走时肩部的动态载荷的变化差值；或者，

18、其中，表示单个步态周期t内用户人体对背包所做的机械功，通过肩部交互力与人体质心位移在步态周期t内的积分得到；或者，

19、其中，e表示表示单个步态周期t内用户人体的人体代谢能消耗，η表示肌肉能量效率，dt表示时间步长。

20、可选的，所述迭代法为黑盒优化算法。

21、本发明的第二方面，公开了一种基于主动式悬浮背包的非时间依赖的控制系统，在所述控制系统中，利用以步态相位为自变量的参数化期望曲线作为系统输入：以消除控制系统对时间的依赖，并且控制所述主动式悬浮背包的电机根据所述系统输入输出相应控制力对用户行走速度的改变做出响应；其中，u(·)表示所述系统输入，gc表示步态相位，用于表征用户负重行走时步行速度变化的不同，ω表示步行频率，表示所述参数化期望曲线，a(ω)表示所述参数化期望曲线中的幅值且可调节，f(·)表示所述参数化期望曲线中的预设函数，表示所述参数化期望曲线中的步态相位差且可调节。

22、本发明的第三方面，公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。

23、本发明的第四方面，公开了一种主动式悬浮背包，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现第一方面所述方法的步骤。

24、通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：

25、在本发明的技术方案中，考虑到步态相位能够反映用户负重行走时步行速度变化的不同，因此利用以步态相位为自变量的参数化期望曲线作为系统输入，将主动式悬浮背包的控制策略由时间依赖的控制策略转化为对步行时用户的步态相位依赖的控制策略，因此消除了悬浮背包控制系统对时间的依赖，并且通过控制所述主动式悬浮背包的电机输出控制力对用户行走速度的改变做出响应，促使主动式悬浮背包在用户步行速度产生变化时能够适应性减轻用户的行走负担。

26、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。