CN103356363A - 具有反向可驱动性的踝关节助力方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有反向可驱动性的踝关节助力方法，该方法由适应步态的助力机构、反向可驱动机构和步态检测机构实现，其中：助力机构的电机（1）根据步态检测机构传过来的足底压力变化信号进行转动，以主动适应人体行走的步态过程对踝关节进行主动助力，对于正常行走有障碍的患者起到帮助作用，同时该电机又驱动反向可驱动机构动作，实现无阻碍的脚部自由活动。本发明既可以确保为踝关节提供助力，又不至于束缚人体的主动意愿，是下肢康复、助老助残机器人研究的关键，并具有容易实现，控制精度高的优点。

Description

具有反向可驱动性的踝关节助力方法

技术领域

本发明涉及踝关节的助力方法，尤其涉及具有反向可驱动性的踝关节助力方法。

背景技术

独立行走有障碍的患者而言，辅助和矫形装置对于行走舒适度和步态美观性上可以起到一定的帮助。研究结果显示，人体脚踝的一项主要职能是为身体前进提供足够的能量。传统踝关节辅助装置仅是对人体踝关节生理结构的模拟，缺点是不能按照人体行走的过程对步态进行调整，其机械性能在不同的步行速度和地形固定不变。而且传统的踝关节辅助装置由于缺少反向可驱动功能，辅助装置与人体不协调匹配，限制甚至阻碍了脚部的自由活动。因此，设计出一种具有反向可驱动性的踝关节助力方法很有现实意义。

中国专利（200410053695.5）介绍了一种可穿戴式的下肢步行外骨骼，该装置由腰部支撑、髋部四杆结构、膝盖四杆结构、脚踝四杆结构和足底支撑依次串联构成，由液压缸驱动机构运动，判断步态信息的传感器安装在液压缸处。由于使用液压缸，需要有液压源的提供，机构定位精度不高，传感器安装在腿部，加大了腿部机械结构的复杂性，而且由于反向不可驱动，使得脚部的自行活动受到的装置本身限制。

中国专利（200810034002.7）介绍了一种并联式多自由度价值外骨骼踝关节，该装置由足底支撑板和仿人腿外套组成，具有三个自由度，机构高度可调。由于三个自由度都是主动动作，故需配备三个主动导杆，导致装置的机构复杂，控制繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种易于实现的反向可驱动的踝关节助力方法，以克服上述现有技术存在的问题。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：由适应步态的助力机构、反向可驱动机构和步态检测机构实现，其中助力机构的电机根据步态检测机构传过来的足底压力变化信号进行转动，以适应人体行走步态过程，对踝关节进行主动助力，该电机又驱动反向可驱动机构动作，实现无阻碍脚部的自由活动，同时对于正常行走有障碍的患者起到帮助作用。

所述对于人体行走的步态过程的助力，具体方法可以是：助力机构中的滚珠丝杆将电机的正向旋转运动转化为直线运动，带动弹簧压板向上，通过挤压弹簧，使可移动导杆向上抬升，通过钢丝绳拉拽人体脚后跟，帮助人体实现绕踝关节的跖屈运动，提供人体行走的步态过程中踝关节的助力。

本发明可以采用以下步骤来实现对人体行走的步态过程的助力：

第1步，跖屈驱动相时正向动作：

行走过程足跟提起到足尖抬起这一阶段，即跖屈驱动相PP。足跟压力传感器和足尖压力传感器的信号相继为零，根据此信号，由电机的控制器控制电机正转，使得通过同步带带动滚珠丝杆旋转，滚珠丝杆螺母和弹簧压板上移，通过可移动导杆拉动连接在脚踝处的钢丝绳，给予脚后跟一个向上的力，实现绕踝关节的跖屈运动；

第2步，摆动相时反向动作：

当足尖完全抬起时，即摆动相SW，此时踝关节不再需要一个向上的力，且处于摆动相时脚底两个传感器信号均为零，据此电机的控制器控制电机反转，使滚珠丝杆螺母下移，释放钢丝绳的紧绷状态；

第3步，跖屈与背屈控制相时停止动作：

当脚部完成摆动重新接触地面这一阶段，即跖屈控制相CP和背屈控制相CD，两个压力传感器相继得到来自足底的压力信号，此时电机停止反转，为下一次的跖屈驱动相时给踝关节助力做准备；

经过上述步骤，实现针对整个步态过程中踝关节的助力。

本发明提供的反向可驱动的助力动作方法，包括紧绷状态和松弛状态两部分：在跖屈与背屈控制相，钢丝绳处于松弛状态，可自由伸缩来实现反向可驱动性；在摆动相，钢丝绳处于紧绷状态，人体细微的摆动动作导致助力机构的弹簧被压缩，步态检测机构中的位移传感器检测到背屈意愿，控制电机反向旋转，通过助力机构的滚珠丝杆带动可移动导杆向下运动，及时响应踝关节摆动运动的意愿。

本发明可以采用以下步骤来进行反向可驱动的助力动作：

第1步，脚部背屈意愿拉动可移动导杆下移：

当脚部试图背屈动作的时候，踝关节拉动钢丝绳，从而带动可移动导杆下移，此时滚珠丝杆不进行动作；

第2步，弹簧被压缩，电机反转：

可移动导杆下移使得夹在可移动导杆和弹簧压板之间的弹簧被压缩，弹簧的压缩状态被安装在其上面的位移传感器所检测到，据此电机的控制器控制电机反转，通过同步带带动滚珠丝杆反转，使套装在该丝杆上的滚珠丝杆螺母上的弹簧压板下移；

第3步，释放弹簧的压缩状态：

弹簧压板下移使得弹簧的压缩状态被释放，钢丝绳由紧绷的状态变为松弛，脚部的摆动不再受到钢丝绳的限制，摆动意愿得以响应。

经过上述步骤，实现踝关节助力的反向可驱动。

本发明与现有的踝关节助力技术方案相比，具有以下主要优点：

1.当脚部自由动作的时候，弹簧被压缩，电机控制器控制电机反转，使得弹簧的压缩状态得以释放，相比于传统的助力装置而言可实现反向可驱动。

2.使用步态传感器，可以感应人体所处步态，主动与人体的行走达到协调配合，无需人体主动配合设备。

3.对踝关节的拉动采用钢丝绳，钢丝绳是单向受力的，钢丝绳无需拉动的时候为松弛状态，不会消耗额外的能量，相比导杆更省力。

4.足底安装有足尖和足跟压力传感器，可以直接通过压力传感器的输入判定人体的步态，省去了安装在腿部的传感器，可以节省腿部的机械结构。

总之，本发明与现有的踝关节助力方案相比，除了反向可驱动功能外还具有容易实现，控制精度高的优点。

附图说明

图1是本发明使用带有反向可驱动的踝关节助力装置的结构示意图。

图2是本发明的脚部摆动意愿示意图。

图3是本发明的脚部摆动使得弹簧被压缩的示意图。

图4是本发明的弹簧压缩状态被释放，脚部可进行自由活动的示意图。

图5是人体的整个步态过程示意图。

图中：1.电机；2.滚珠丝杆；3.弹簧；4.滚珠丝杆螺母；5.弹簧压板；6.可移动导杆；7.钢丝绳；8.摆动轴；9.同步带；10.尼龙带；11.导杆；12.端盖。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的具有反向可驱动性的踝关节助力方法，可实现踝关节行走助力，该方法是：滚珠丝杆2将电机1的正向旋转运动转化为直线运动，带动压板5向上，通过挤压弹簧3，使导杆6向上抬升，通过钢丝绳7拉拽人体脚后跟，帮助人体实现绕踝关节的跖屈驱动，提供行走助力。助力过程中的反向可驱动性包括两部分。在跖屈与背屈控制相，由钢丝绳纵向的压缩屈服来实现。在摆动相，人体细微的背屈动作导致弹簧3被压缩，位移传感器检测到摆动意愿，控制电机1反向旋转，通过滚珠丝杆2，带动导杆6向下运动，及时响应踝关节自由摆动的意愿。

本发明对于人体行走态过程的助力方法，参阅图5，按照以下步骤工作：

第1步，跖屈驱动相时正向动作：

行走过程中，足跟提起到足尖抬起这一阶段，即跖屈驱动相PP。足跟压力传感器和足尖压力传感器的信号相继为零，根据此信号，由电机控制器控制电机1正转，通过同步带9带动滚珠丝杆2旋转，滚珠丝杆螺母4和压板5上移，通过导杆6拉动连接在脚踝处的钢丝绳7，给予脚后跟一个向上的力，实现绕踝关节的跖屈运动；

第2步，摆动相时反向动作：

当足尖完全抬起时，即摆动相SW，此时踝关节不再需要一个向上的力，且处于摆动相的脚底两个传感器信号均为零，据此电机控制器控制电机1反转，使滚珠丝杆螺母下移返回至未助力前的状态；

第3步，跖屈与背屈控制相时停止动作：

当脚部完成摆动重新接触地面这一阶段，即跖屈控制相CP和背屈控制相CD，两个压力传感器相继得到来自足底的压力信号，此时电机1停止反转，为下一次的跖屈驱动相时助力做准备。

经过上述步骤，实现针对整个步态过程中踝关节的助力。

本发明对于反向可驱动的助力方法，参阅图2至图4，按照以下步骤来进行工作：

第1步，脚部摆动意愿拉动可移动导杆6下移：

参阅图2，当脚部试图摆动时，踝关节拉动钢丝绳7，从而带动可移动导杆6下移，此时滚珠丝杆2不执行动作；

第2步，弹簧被压缩，电机反转：

参阅图3，可移动导杆6下移使得夹在可移动导杆6和弹簧压板5之间的弹簧3被压缩，弹簧3的压缩状态被安装在其上面的位移传感器所检测到，据此电机1的控制器控制电机反转，通过同步带9带动滚珠丝杆2反转，使套装在该丝杆上的滚珠丝杆螺母4和弹簧压板5下移；

第3步，释放弹簧的压缩状态：

参阅图4，弹簧压板5下移使得弹簧3的压缩状态被释放，钢丝绳7由紧绷的状态变为松弛，脚部的摆动不再受到钢丝绳7的限制，摆动意愿得以响应。

本发明提供的上述方法，可借助一个带有反向可驱动的踝关节助力装置来实现，该装置的结构如图1所示，由适应步态的助力机构、反向可驱动机构和步态检测机构组成，其中：助力机构的电机根据步态检测机构传过来的足底压力变化信号进行转动，以适应人体步态情况对踝关节进行主动助力，又驱动反向可驱动机构动作，实现无阻碍的脚部自由活动，对于行走障碍的患者起到帮助的目的。

所述助力机构由安装在脚部的摆动轴8、通过尼龙带10绑在摆动轴8上部的电机1、滚珠丝杆2和可移动导杆6及其下部连接的钢丝绳7组成。电机1通过同步带9与滚珠丝杆2的上端相连，以控制滚珠丝杆的转动。

所述反向可驱动机构由相互配合的弹簧3、安装在弹簧3处的弹簧位移传感器、滚珠丝杆2和钢丝绳7组成。其中滚珠丝杆2的螺杆位置被上下方的端盖12固定，该螺杆的外侧通过端盖12固定安装一组导杆11，该导杆上装有弹簧压板5，弹簧压板5上的滚珠丝杆螺母4可沿滚珠丝杆2的杆体上下移动。

所述的弹簧3套装在可移动导杆6的上端，位于弹簧压板5和端盖12之间，弹簧3单侧被端盖12固定，只可被压缩不可被拉伸。在弹簧3处装有位移传感器，其输出的信号被电机1的控制器接收。

所述的可移动导杆6，其下端与钢丝绳7相连，该钢丝绳有拉动脚后跟给踝关节助力的功能。该可移动导杆6贯穿弹簧压板5，由滚珠丝杆的螺母4控制其向上的移动。

所述钢丝绳7的受力方向为单向，唯紧绷拉伸时受力，其余则处于松弛状态。紧绷状态出现在跖屈驱动相和摆动相，松弛状态出现在跖屈控制相和背屈控制相。

所述的摆动轴8可针对步态随小腿摆动，因电机1和导杆11分别通过尼龙带10绑在摆动轴8的上部，从而实现本装置跟随小腿的摆动。

所述步态检测机构由安装在足底处的压力传感器组成，其包括安装在足跟处的足跟压力传感器和安装在足尖处的足尖压力传感器（图5），它们可以采用空气压力传感器或触点开关。所述压力传感器将检测到足尖和足跟底部的压力信号变化，据此对人体所处的步态相位做出判断，此步态信号输出给电机1的控制器，该控制器根据步态信号对电机1进行控制。

所述电机1的控制器是现有技术，主要由DSP控制器对电机1进行控制。该控制器将采集到来自足跟压力传感器、足尖压力传感器和弹簧位移传感器的信号进行处理，根据步态相位对电机1进行转速和转动方向的精确控制，与人体步态相互协调配合。

Claims (5)

1.一种具有反向可驱动性的踝关节助力方法，其特征在于该方法由适应步态的助力机构、反向可驱动机构和步态检测机构实现，其中：助力机构的电机（1）根据步态检测机构传过来的足底压力变化信号进行转动，以适应人体行走的步态过程对踝关节进行主动助力，该电机又驱动反向可驱动机构动作，实现无阻碍脚部的自由活动，同时对于正常行走有障碍的患者起到帮助作用。

2.根据权利要求1所述的具有反向可驱动性的踝关节助力方法，其特征是采用以下方法对人体行走步态过程进行主动助力：助力机构中的滚珠丝杆（2）将电机（1）的正向旋转运动转化为直线运动，带动弹簧压板（5）向上，通过挤压弹簧（3），使可移动导杆（6）向上抬升，通过钢丝绳（7）拉拽人体脚后跟，帮助人体实现绕踝关节的跖屈运动，提供人体行走步态过程中的踝关节提供助力。

3.根据权利要求2所述的具有反向可驱动性的踝关节助力方法，其特征是采用以下步骤来实现对人体行走的步态过程的助力：

第1步，跖屈驱动相时正向动作：

行走过程中，足跟提起到足尖抬起这一阶段，即跖屈驱动相PP；足跟压力传感器和足尖压力传感器的信号相继为零，根据此信号，由电机（1）的控制器控制电机（1）正转，通过同步带（9）带动滚珠丝杆（2）旋转，滚珠丝杆螺母（4）和弹簧压板（5）上移，通过可移动导杆（6）拉动连接在脚踝处的钢丝绳（7），给予脚后跟一个向上的力，实现绕踝关节的跖屈运动；

第2步，摆动相时反向动作：

当足尖完全抬起时，即摆动相SW，此时踝关节不再需要一个向上的力，且处于摆动相时脚底两个传感器信号均为零，据此电机控制器控制电机（1）反转，使滚珠丝杆螺母（4）下移，释放钢丝绳（7）的紧绷状态；

第3步，背屈控制相时停止动作：

当脚部完成摆动重新接触地面这一阶段，即跖屈控制相CP和背屈控制相CD，两个压力传感器相继得到来自足底的压力信号，此时电机（1）停止反转，为下一次的跖屈驱动相时助力做准备；

经过上述步骤，实现针对整个步态过程中踝关节的助力。

4.根据权利要求1所述的具有反向可驱动性的踝关节助力方法，其特征是反向可驱动的助力动作方法包括紧绷状态和松弛状态两部分：在跖屈与背屈控制相，钢丝绳（7）处于松弛状态可自由伸缩来实现反向可驱动性；在摆动相，钢丝绳（7）处于紧绷状态，人体细微的摆动动作导致助力机构的弹簧（3）被压缩，步态检测机构中的位移传感器检测到背屈意愿，控制电机（1）反向旋转，通过助力机构的滚珠丝杆（2）带动可移动导杆（6）向下运动，及时响应踝关节摆动运动的意愿。

5.根据权利要求4所述的具有反向可驱动性的踝关节助力方法，其特征是采用以下步骤来进行反向可驱动的助力动作：

第1步，脚部摆动意愿拉动可移动导杆（6）下移：

当脚部试图摆动时，踝关节拉动钢丝绳（7），从而带动可移动导杆（6）下移，此时滚珠丝杆（2）不执行动作；

第2步，弹簧被压缩电机反转：

可移动导杆（6）下移使得夹在可移动导杆（6）和弹簧压板（5）之间的弹簧（3）被压缩，弹簧（3）的压缩状态被安装在其上面的位移传感器所检测到，据此电机（1）的控制器控制电机反转，通过同步带（9）带动滚珠丝杆（2）反转，使套装在该丝杆上的滚珠丝杆螺母（4）和弹簧压板（5）下移；

第3步，释放弹簧的压缩状态：

弹簧压板（5）下移使得弹簧（3）的压缩状态被释放，钢丝绳（7）由紧绷的状态变为松弛，脚部的摆动不再受到钢丝绳（7）的限制，摆动意愿得以响应。

经过上述步骤，实现踝关节助力的反向可驱动。

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