CN101518472B - 下肢智能携行外骨骼系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下肢智能携行外骨骼系统及其控制方法，它具有检测控制系统、腰环、与腰环连接的背架及腿部支撑装置等结构，腿部支撑装置包括依次活动连接的大腿连杆、膝关节连接件、小腿连杆及足部连接件，在膝关节连接件上设有膝关节扭力弹簧，膝关节扭力弹簧的两端分别与大腿连杆和小腿连杆连接，在小腿连杆上设有拉索，拉索的另一端与拉索驱动装置连接，拉索驱动装置通过传输线路与检测控制系统连接，在足部连接件上设有信号传感器，并通过信号采集线路与检测控制系统连接，大腿连杆的顶端活动连接有髋关节，并通过髋关节与腰环连接，本发明能耦合于人体，随人体行进，帮助人体负重携行，降低人体能量消耗和疲劳感，结构合理、功能完善，实用性强。

Description

下肢智能携行外骨骼系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及计算机人工智能技术领域，具体地说，涉及一种下肢智能携行外骨骼系统及其控制方法。

背景技术

目前人们正在积极研制开发一种人机外骨骼系统，它是一种结合人的智能与机械装置的机械能量的特殊机械系统，其中的机械装置一般类似人形，可经配置耦合于人身上，能够承担人体承受的大部分负荷，因此称为外骨骼。外骨骼的动作受人控制，形成人机结合系统，在负重行走或者因伤病行动困难时，可以借助外骨骼，使外骨骼与操作者随行，达到由外骨骼承担负荷、降低人体能量消耗的功能。现在已经投入使用的一些外骨骼装置有的结构太复杂，类似于机器人，人机结合功能不协调，且价格昂贵，不适合推广；有的则属于假肢类，只是一种帮助残疾人恢复某些行动功能的简单的肢体装置，还远未达到具有智能控制的人机携行目的。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术中的缺陷，提供一种结构新颖、功能完善、可实现人机携行的下肢智能携行外骨骼系统及其控制方法。

本发明的技术方案是：一种下肢智能携行外骨骼系统，它具有检测控制系统、腰环、与腰环连接的背架及腿部支撑装置等结构，其中，腿部支撑装置包括依次活动连接的大腿连杆、膝关节连接件、小腿连杆及足部连接件，在膝关节连接件上设有膝关节扭力弹簧，膝关节扭力弹簧的两端分别与大腿连杆和小腿连杆连接，在小腿连杆上设有拉索，拉索的另一端与拉索驱动装置连接，拉索驱动装置通过传输线路与检测控制系统连接，在足部连接件上设有信号传感器，并通过信号采集线路与检测控制系统连接，大腿连杆的顶端活动连接有髋关节，并通过髋关节与腰环连接。

所述的足部连接件包括足底板，在足底板上设有足底面板，足底板与足底面板之间设有能够上下弹性活动的压帽，在压帽与足底板之间形成的空腔内设有足底传感器，足底传感器通过信号采集线路与检测控制系统连接，足底面板的一端通过向心关节轴承与连接柱活动连接，连接柱的顶端与小腿连杆连接。

上述结构中，为了使足部既能绕各轴有一定的转动，保证灵活性，又不至于因活动幅度过大影响行走，可以进一步进行踝关节的设计。即在连接柱上可设有压板，在压板与足底面板之间设有弹簧装置，弹簧装置可以是橡胶弹簧、蝶形弹簧、压缩弹簧、拉伸弹簧、空气弹簧及组合等。向心关节轴承可使脚踝转动自如，因足部连接件要与人足通过捆绑、穿戴等形式相连接，使绕垂直轴旋转的自由度得以限制，另外两个旋转自由度的大幅度转动(即足部绕踝部上下扭动或左右翻动)则靠弹簧装置阻止。

足部连接件还可以设计成下述结构，同样设有足底板，在足底板的一端连接有弹性体，弹性体的另一端与小腿连杆连接，在弹性体上设有电阻应变片，电阻应变片通过信号采集线路与检测控制系统连接。

连接腰环和大腿连杆的髋关节要保证腿部支撑件灵活地前后摆动，而左右摆动适当受限，为此结构设计采用了十字轴承，十字轴承设置在固定于腰环上的耳板上，十字轴承的另两端连接到大腿连杆上，从而实现了腿部相对于腰部灵活摆动的目标。在十字轴承外侧的轴上可以安装回弹性元件——髋关节扭力弹簧，髋关节扭力弹簧提供弹性势能与抬起大腿(包括人体、外骨骼装置及其以下部位)时重力势能的相互转换，起到节省体能的作用。在耳板的下端还可设有耳板内侧挡板，可阻挡大腿连杆向内侧的摆动。

腰环的作用是使机械髋关节与人体髋关节尽量靠近，并能传递腿部支撑力到负载重物。本发明中的腰环可以为一层或两层等多层组合结构，尤其是两层及两层以上的多层组合结构的腰环，其相邻两层腰环之间可以安装弹簧及关节轴承等部件，行走过程中，身体轻微的摆动使重物的重力所产生的扭矩可由弹簧的反弹力产生的扭矩抵消，从而减轻人体的受力。

为使腰环耦合于不同身高、不同腰围的人体，增强操作者的舒适度，在刚性的腰环上还可设置多个调节弯曲角度装置，如弹簧、链节、齿盘等，在改善腰环柔性的同时保证力的传递。

为了照顾不同身高的人体，调节方便，本发明还设有腿部连杆长度调节装置。该装置可以是由两段腿部连杆套在一起能够伸缩或转动的常用的机械套筒式结构，也可以设计成专用调节杆式结构，即，将腿部连杆分为两段，内部对应设有空腔，空腔内设有活动的调节杆，在其中一段的腿部连杆上开有轴向槽，对应于轴向槽位置在该段腿部连杆上设有卡箍，在插在另一段腿部连杆空腔内的调节杆上开有竖槽，对应于竖槽位置在该段腿部连杆空腔内设有活动销，在该段腿部连杆空腔内还设有回弹体，回弹体的一端与腿部连杆连接，另一端与调节杆的底部连接。回弹体起回位作用，可使用橡胶弹簧、蝶形弹簧、压缩弹簧、拉伸弹簧、空气弹簧及其组合等。上述腿部连杆长度调节装置既适用于大腿连杆，也适用于小腿连杆，可在两者上同时安装使用，也可只在一个部位上使用。

本发明下肢智能携行外骨骼系统的控制方法是，当人体运动时，产生在足部连接件上的压力信息由信号采集线路传送至检测控制系统，检测控制系统进行信息处理后，通过传输线路传送至拉索驱动装置，由拉索驱动装置收放拉索，配合膝关节扭力弹簧，改变大腿连杆与小腿连杆之间的夹角，帮助两者跟随人体交替进行相对弯曲、伸直的运动，从而在行走的人体带动下，腿部支撑装置随人的足和腿轮番行进，轮番支撑，达到负荷携行的目的。

本发明是一种能够耦合于人体，并随人体行进，帮助人体负重携行的下肢智能携行外骨骼系统，采用了拉索式驱动方案，通过对足部运动信号的处理，使髋关节、膝关节和踝关节部位的连接件能够随人体的动作进行适当的弯曲、摆动或转动，而在人体站立时，各连接件又能随人体直立于地面呈挺直状态、承载重物的重力并将重力传递至地面，降低人体能量消耗和疲劳感。与已有技术相比，其结构、功能都非常完善合理，实用性强，具有十分突出的特点和显著的进步。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为膝关节的结构示意图；

图2.1为图2的侧视图(局部)；

图3为足部连接件的一种结构示意图；

图3.1为图3的俯视图；

图4为足部连接件的另一种结构示意图；

图5为髋关节的结构示意图；

图5.1为图5的侧视图；

图5.2为图5的A-A剖视图；

图6为腰环的结构示意图；

图6.1为图6的B-B剖视图；

图6.2为腰环的另一种结构示意图；

图6.3为图6.2的俯视图；

图7为腿部连杆长度调节装置的一种结构示意图；

图7.1为图7的剖视图。

附图图面说明：

1足部连接件，2橡胶弹簧，3小腿连杆，4膝关节扭力弹簧，5膝关节连接件，6大腿连杆，7拉索套，8腰环，9电机，10背架，11足底传感器，12压帽，13足底面板，14足底板，15向心关节轴承，16连接柱，17捆绑件，18弹性体，19电阻应变片，

61轴向槽，62卡箍，63活动调节杆，64活动销，65竖槽，66回弹体，

71拉索钢丝，

81弹簧，82关节轴承，83齿盘，84弹簧，85链节，

91卷扬轮，92卷扬支架，

110髋关节，111十字轴承，112耳板，113耳板内侧挡板，114摩擦部件，120髋关节扭力弹簧，

161压板，

200人体，

300检测控制器，301传输线路，302信号采集线路。

具体实施方式

参见图1，图1是本发明的整体结构示意图，它包括腰环8、背架10以及左右两个腿部支撑装置，背架10固定在腰环8上，左右两个腿部支撑装置是相同对称的，从上至下依次包括大腿连杆6、膝关节连接件5、小腿连杆3及一套足部连接件1，上述部件之间都是活动连接的，如图2、图2.1所示，在膝关节连接件5上安装有膝关节扭力弹簧4，膝关节扭力弹簧4的两端分别与大腿连杆6和小腿连杆3连接，在小腿连杆3上安装有拉索，拉索由拉索钢丝71和拉索套7组成，拉索钢丝71的一端固定在小腿连杆3的上端，在穿过大腿连杆6后另一端与拉索驱动装置连接，拉索驱动装置由电机9及卷扬轮91、卷扬支架92组成(也可使用直线电机、液压、气压、杠杆等其它驱动机构)，拉索钢丝71固定在卷扬轮91上，拉索套7顶在大腿连杆6和卷扬支架92之间，电机9通过传输线路301由检测控制系统300控制，大腿连杆6的顶端通过髋关节110与腰环8活动连接，足部连接件1上也设有信号采集线路302与检测控制系统300连接，检测控制系统300可安装在背架10上。

上述整个外骨骼系统可经配置耦合(捆绑)于人体200上，如图1所示，腰环8置于人体200腰部的后侧，髋关节110及整套腿部支撑装置置于人体下肢腿部的外侧。

控制原理：由安装在足部连接件1上的信号传感器检测人脚抬起或落地的信号，并能检测到人足对外骨骼足部的蹬踏压力，采集到的压力信息由信号采集线路302传送至检测控制系统300，检测控制系统300将信息进行处理后再通过传输线路301传送至电机9，然后通过卷扬轮91收放拉索钢丝71，配合膝关节扭力弹簧4，改变大腿连杆6与小腿连杆3之间的夹角，使膝关节跟随人体交替进行弯曲、伸直的运动。

具体运动过程如图1、图2、图2.1所示，行走过程中，在周期性的膝盖运动期间，在小腿连杆3和大腿连杆6之间配置的膝关节扭力弹簧4自动施加一力矩，使小腿连杆3相对于大腿连杆6做弯曲运动；若人体200已抬起的腿落地，卷扬轮91则收紧拉索钢丝71，使得膝关节大、小腿连杆贴合，腿部支撑件伸直；若人体200向前迈动腿，膝关节扭力弹簧4使得膝关节大、小腿连杆张开，卷扬轮91放松拉索钢丝71，小腿连杆3相对于大腿连杆6做弯曲运动。一系列的交替动作，使两机械足及腿随人的足和腿轮番行进，达到携行的目的。膝关节扭力弹簧4除了具有使膝关节大、小腿连杆张开的功能外，还提供弹性势能与抬起小腿(包括人体、外骨骼装置及其足)时重力势能的相互转换，起到降低动力消耗和节省体能的作用；另外还提供离开地面支撑时人足与机械足之间压力检测的力传导作用。

小腿连杆相对于大腿连杆之间的弯曲和伸展运动所需的能量由人体和电机共同提供，膝关节扭力弹簧具有节能作用，经合理的设计分配，既能提高人机的共同承载能力，又能降低机械装置的动力消耗以及人力体能的消耗。

本系统中的足部连接件、髋关节、腰环及腿部连杆等结构都可根据实际需要进行专门设计，下面举例说明几种专用结构。

如图3、图3.1所示的一种足部连接件1的结构，包括足底板14，足底板14上设有足底面板13，足底板14与足底面板13之间设有能够上下弹性活动的压帽12，在压帽12与足底板14之间形成的空腔内设有足底传感器11，足底传感器11固定安装在足底板14上，其顶部接触点与压帽12帽顶内侧对应接触，足底传感器11上安装信号采集线路302与背架10上的检测控制系统300连接。足底面板13、足底板14、足底传感器11和压帽12这互相关联的四个零件高度方向的尺寸及结构设计是设计关键。压帽12有一上下活动的行程，为确保人的足底通过压帽12能够压实足底传感器11的接触点，压帽12的底部帽檐与足底板14间的活动间隙要大于帽顶内侧与传感器接触点的间隙。在自由状态下，紧贴足底传感器11的压帽12比足底面板13略高，当人足部欲抬高时，人足对传感器接触点的踩压力就减小；当人足部欲降低时，人足对传感器接触点的踩压力就增大；当人足与机器足触地处于支撑状态时，压力便通过人足施加到了传感器上，压力将大幅度增加，从而使得足底传感器11采集到人行走的压力信号。

本结构中的足部连接件1进一步包括踝关节的设计。为了使足部既能绕各轴有一定的转动，保证灵活性，又不至于因活动幅度过大影响行走，结构上采用了向心关节轴承15和弹簧装置。如图所示，足底面板13的一端通过向心关节轴承15与连接柱16活动连接，连接柱16的顶端与小腿连杆3连接。连接柱16上可以安装一压板161，在压板161与足底面板13之间设有弹簧装置，此弹簧装置可以是图示的橡胶弹簧2，也可以采用蝶形弹簧、压缩弹簧、拉伸弹簧、空气弹簧及其组合等。向心关节轴承15可使脚踝转动自如，因足部连接件要与人足通过捆绑、穿戴等形式相连接，这样就使绕垂直轴旋转的自由度得以限制；另外两个旋转自由度的大幅度转动(即足部绕踝部上下扭动或左右翻动)则靠弹簧装置限制。

本结构中的压帽12除了可以上下弹性活动外，根据人足的活动范围，还可使其适当地左右旋转，如图3.1所示，可将压帽12做成圆形结构。

图4为另一种足部连接件1的结构，它也具有足底板14，其上设有可捆绑人足用的捆绑件17，足底板14的一端连接有弹性体18，弹性体18的另一端与小腿连杆3连接，小腿连杆3直接支撑至地面，在弹性体18上设有电阻应变片19，电阻应变片19上安装有信号采集线路302与检测控制系统300连接。弹性体上粘贴电阻应变片既可以起到检测变形的作用，又可以使人体踝关节感到舒适。该结构不仅可以检测足部相对于小腿连杆之间的力，弹性体18还可以使测量量程仅限于腿部重量和压力，而不必扩展到整个人体总量，使测量精度提高。

图5、图5.1、图5.2为外骨骼系统的一种髋关节结构示意图。连接腰环8和大腿连杆6的髋关节要保证腿部支撑件灵活地前后摆动，而左右摆动适当受限，为此结构设计采用了十字轴承结构，借助于耳板112将十字轴承111连接到腰环8上，十字轴承111的左右两端与耳板112活动连接，其前后两端与大腿连杆6的顶端活动连接，从而实现了腿部相对于腰部灵活摆动的目的。在十字轴承111外侧的轴上还可安装回弹性元件，本实施例中使用髋关节扭力弹簧120，髋关节扭力弹簧120的两端分别与耳板112和大腿连杆6连接。髋关节扭力弹簧120能够提供弹性势能与抬起大腿(包括人体、外骨骼装置及其以下部位)时重力势能的相互转换，起到节省体能的作用；另外还提供在空间时人足与机械足之间压力检测的力传导作用。当大腿处于支撑状态时，由于重物靠后，会产生扭力，人往往通过调整重物重心到支撑点来达到平衡，髋关节扭力弹簧120通过弹性势能与重物重力势能的相互转换，起到节能的作用，同时由于减少人体腰部负荷，使人感到舒适。在耳板112的下端还设有耳板内侧挡板113，耳板内侧挡板113与大腿连杆6的位置相对应，一方面起到了连接作用，另一方面其折弯加长的形状阻挡了大腿连杆6向内侧的摆动。在耳板内侧挡板113与大腿连杆6之间可进一步地增加摩擦部件114，如橡胶、塑料、复合摩擦片、轧花、凸凹、销孔及其组合结构等，作用是，当处于支撑状态时，重物重心偏向支撑腿内侧，左右方向的重量支撑可由耳板内侧挡板113承担，摩擦部件114则可限制前后转动。

图6、图6.1为腰环的结构示意图。腰环的作用是使机械髋关节与人体髋关节尽量靠近，并能传递腿部支撑力到负载重物。本发明中的腰环8可以为一层或两层或两层以上的多层组合结构，如图所示，使用两层腰环8与腿部支撑件相连，上下两层腰环8之间可安装多个弹簧81、关节轴承82，行走过程中，身体轻微的摆动使重物的重力所产生的扭矩可由弹簧的反弹力产生的扭矩抵消，从而减轻人体的受力。两层及两层以上多层组合结构的腰环，其最下层腰环与髋关节110连接。

为使腰环耦合于不同身高、不同腰围的人体，增强操作者的舒适度，在刚性的腰环上可安装使用调节弯曲角度装置。如图6.2、图6.3所示，使用齿盘83、弹簧84、链节85等几种部件将整体的腰环断开后再连接成几节，从而在改善腰环柔性的同时保证力的传递。例如，弹簧84使人体在交替行进中只有半个腰环承受力，尤其是上下阶梯时，使人体的运动更灵活，断开的腰环并不影响力的传输。可调弯曲角度的齿盘83能够方便地旋转并锁紧，在横向或纵向可安装多个。链节85的转轴只能绕垂直轴旋转，增加该结构，可使腰环束紧于腰部，而不影响垂直力的传输。以上几种部件可独立单独使用，也可组合一起使用。

人体的身高各不相同，为了调节方便，本发明还设计有腿部连杆长度调节装置。该装置可以采用两段腿部连杆套在一起能够伸缩或转动的常用的机械套筒式结构，也可以是如图7、图7.1所示的调节杆式结构。参见图7、图7.1，包括两段内部对应设有空腔的大腿连杆6，空腔内设有活动的调节杆63。其上半部为大腿长度调节结构，调节杆63在大腿连杆6内可伸缩，大腿连杆6的上半部沿轴向开有轴向槽61，根据人体身高确定了外骨骼装置的长度后，用卡箍62将调节杆63紧固；下半部为增强大腿连杆6的灵活性增设的转动、伸缩结构，调节杆63在下半部的大腿连杆6内可以转动、伸缩，调节杆63上开有竖槽65，对应于竖槽65位置在大腿连杆6内设有活动销64，活动销64和竖槽65起限制转动角度和伸缩行程的作用，并承受压力，在该段大腿连杆6内还设有回弹体66(如各种弹簧)，回弹体66的一端固定在大腿连杆上，另一端与调节杆63的底部连接。回弹体66起回位作用。上述结构同样适用于小腿连杆上，不再赘述。

最后说明的是，本发明系统中所使用的电机、十字轴承、关节轴承、扭力弹簧等部件，仅用以说明本发明的技术方案，上述部件根据实际情况可延伸到诸如电磁力驱动、减速器、杠杆、人力驱动，球轴承、滚动轴承、万向节，蝶形弹簧、空气弹簧、拉伸弹簧、压缩弹簧、橡胶弹簧、板簧等等，所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的保护范围内。

另外，本系统中的拉索驱动结构及腿部支撑装置，如踝关节、膝关节、髋关节、大小腿连杆同样也适用于人体上肢(包括肩关节、上臂、前臂、肘关节、腕关节、指关节等)的外骨骼系统，所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种下肢智能携行外骨骼系统，其特征是，它包括检测控制系统(300)、腰环(8)、与腰环(8)连接的背架(10)及腿部支撑装置，其中，腿部支撑装置包括依次活动连接的大腿连杆(6)、膝关节连接件(5)、小腿连杆(3)及足部连接件(1)，在膝关节连接件(5)上设有膝关节扭力弹簧(4)，膝关节扭力弹簧(4)的两端分别与大腿连杆(6)和小腿连杆(3)连接，在小腿连杆(3)上设有拉索，拉索的另一端与拉索驱动装置连接，拉索驱动装置通过传输线路(301)与检测控制系统(300)连接，在足部连接件(1)上设有信号传感器，通过信号采集线路(302)与检测控制系统(300)连接，大腿连杆(6)的顶端活动连接有髋关节(110)，并通过髋关节(110)与腰环(8)连接。

2.根据权利要求1所述的下肢智能携行外骨骼系统，其特征是，所述足部连接件(1)包括足底板(14)，足底板(14)上设有足底面板(13)，足底板(14)与足底面板(13)之间设有能够上下弹性活动的压帽(12)，在压帽(12)与足底板(14)之间形成的空腔内设有足底传感器(11)，足底传感器(11)通过信号采集线路(302)与检测控制系统(300)连接，足底面板(13)的一端通过向心关节轴承(15)与连接柱(16)活动连接，连接柱(16)的顶端与小腿连杆(3)连接。

3.根据权利要求2所述的下肢智能携行外骨骼系统，其特征是，所述的连接柱(16)上设有压板(161)，在压板(161)与足底面板(13)之间设有弹簧装置。

4.根据权利要求1所述的下肢智能携行外骨骼系统，其特征是，所述 足部连接件(1)包括足底板(14)，足底板(14)的一端连接有弹性体(18)，弹性体(18)的另一端与小腿连杆(3)连接，在弹性体(18)上设有电阻应变片(19)，电阻应变片(19)通过信号采集线路(302)与检测控制系统(300)连接。

5.根据权利要求1所述的下肢智能携行外骨骼系统，其特征是，所述髋关节(110)包括与腰环(8)固定连接的耳板(112)，耳板(112)上设有十字轴承(111)，十字轴承(111)的左右两端与耳板(112)活动连接，其前后两端与大腿连杆(6)的顶端活动连接。

6.根据权利要求5所述的下肢智能携行外骨骼系统，其特征是，在十字轴承(111)的轴上设有髋关节扭力弹簧(120)，髋关节扭力弹簧(120)的两端分别与耳板(112)和大腿连杆(6)连接。

7.根据权利要求5所述的下肢智能携行外骨骼系统，其特征是，在所述耳板(112)的下端设有耳板内侧挡板(113)，耳板内侧挡板(113)与大腿连杆(6)的位置相对应。

8.根据权利要求1所述的下肢智能携行外骨骼系统，其特征是，所述腰环(8)为一层或两层以上的多层组合结构，两层以上的多层组合结构的腰环(8)的最下层腰环与髋关节(110)连接。

9.根据权利要求1或8所述的下肢智能携行外骨骼系统，其特征是，所述腰环(8)上设有调节弯曲角度装置。

10.根据权利要求1所述的下肢智能携行外骨骼系统，其特征是，设有腿部连杆长度调节装置，包括两段内部对应设有空腔的腿部连杆，空腔内设有活动的调节杆(63)，在其中一段的腿部连杆上开有轴向槽(61)， 对应于轴向槽(61)位置在该段腿部连杆上设有卡箍(62)，在插在另一段腿部连杆空腔内的调节杆(63)上开有竖槽(65)，对应于竖槽(65)位置在该段腿部连杆空腔内设有活动销(64)，在该段腿部连杆空腔内还设有回弹体(66)，回弹体(66)的一端与腿部连杆连接，另一端与调节杆(63)的底部连接。

11.根据权利要求10所述的下肢智能携行外骨骼系统，其特征是，所述腿部连杆包括大腿连杆(6)和小腿连杆(3)。

12.根据权利要求1所述的下肢智能携行外骨骼系统的控制方法，其步骤是，

a、采集足部连接件(1)上的压力信息，由信号采集线路(302)传送至检测控制系统(300)；

b、检测控制系统(300)进行信息处理；

c、来自检测控制系统(300)的控制信息通过传输线路(301)传送至拉索驱动装置；

d、拉索驱动装置收放拉索，配合膝关节扭力弹簧(4)，改变大腿连杆(6)与小腿连杆(3)之间的夹角，帮助两者做相对弯曲伸直运动。 

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