CN103610569B - 一种穿戴式下肢助力装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种穿戴式下肢助力装置及其控制方法，由对称设置的两组三自由度机构组成，所述各组三自由度机构分别包括有由下往上依序连接的脚掌固定机构、踝关节机构、小腿铝板、膝关节机构、大腿铝板、髋关节机构和固定支架，其中所述脚掌固定机构上连接有足部运动状况检测模块，所述固定支架上设置有供电电源。本发明的结构简单、控制简易、跟随性好、不限身高、运动范围大、定位精确，且单侧肢体有三个自由度控制，每个自由度由一台直流电机控制，可实现下肢助力装置紧密跟随人体下肢做出的多种动作，既可应用于助力行走方，亦能逆向使用，通过下肢助力装置实现对人体下肢运动的控制，能够应用于下肢的康复治疗。

Description

一种穿戴式下肢助力装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种穿戴式下肢助力装置，特别是涉及一种能紧密跟随人体下肢运动的，可用于负重行走、康复训练的穿戴式下肢助力装置及其控制方法。

背景技术

据报道，下肢助力外骨骼在美国军队中的应用非常广泛，可以帮助士兵长时间背负战斗需要用的装备，节省体力，有助于在恶劣的环境中提升战斗能力，提高生存率。同样，在其它需要长途负重行走的应用方面，如登山、徒步旅行等，助力外骨骼都能帮助使用者背负行李，减轻使用者旅途中的劳累。下肢助力外骨骼在康复训练有也有广泛应用，如下肢有运动功能障碍的患者，通过穿戴上下肢助力外骨骼，分析下肢功能障碍的情况，制定相应的康复计划进行康复训练。在国外，下肢助力外骨骼由于军方的使用，技术比较成熟，但大多使用的器件繁多，功耗比较大，成本非常高，性价比低下。在国内，无论个人还是高校所设计的有关助力外骨骼或是比较笨重，结构复杂，或是控制过于繁琐或是与人体下肢的跟随性不够好。

如申请号为201310257360.5的中国专利申请公开了一种穿戴型下肢助力机器人、其折叠方法及用于装运的手拉箱，具有膝关节圆盘处的直流伺服减速电机一个独立动力源，配合腿部及脚部随动支撑弹性部件，实现了对人体膝关节的主动助力以及对人体髋关节和踝关节的随动助力等多重功能；申请号为201310262919.3的中国专利申请公开了一种穿戴式下肢助力外骨骼，单侧腿机械连接方式为单自由度闭链结构，与相同自重串联式多自由度外骨骼结构相比，简化控制系统，结构稳定性好，承载能力与运动效率高，电机位置接近地面，降低整机重心，提高了外骨骼装置运动平稳性。但两者的机械结构都比较复杂，装置显得比较笨重。

又如申请号为201110260022.8的中国专利申请公开了一种人机耦合重载携行系统装置及其控制方法，在人体足底、重载携行系统肢体的膝关节安放压力和角度传感器实时感知人体和重载携行系统刚肢体的运动信息和力信息，采用气体蓄能密闭腔执行器装置，实现了液压缸回程运动的助力效果。但是采用液压缸来带动肢体，会导致肢体的运动范围受到一定程度的限制。

发明内容

本发明在于针对上述存在问题和不足，提供一种结构简单、控制简易、跟随性好、不限身高、运动范围大、定位精确的穿戴式下肢助力装置及其控制方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的穿戴式下肢助力装置，由对称设置的两组三自由度机构组成，其特点是所述各组三自由度机构分别包括有由下往上依序连接的脚掌固定机构、踝关节机构、小腿铝板、膝关节机构、大腿铝板、髋关节机构和固定支架，其中所述脚掌固定机构上连接有足部运动状况检测模块，所述固定支架上设置有供电电源。

上述足部运动状况检测模块包括若干组应力压力传感器及与各组应力压力传感器电连接的可将检测到的压力信号分析后形成的数据发送给主机的压力信号处理模块，所述各组应力压力传感器分别设置在脚掌固定机构的不同区域上。

上述踝关节机构、膝关节机构和髋关节机构分别由一台与供电电源电连接的直流电机及一个与直流电机的转轴相连接的减速器组成，其中组成踝关节机构的直流电机和减速器安装固定在小腿铝板的下端且减速器的动力输出轴与脚掌固定机构固定连接，组成膝关节机构的直流电机和减速器安装固定在大腿铝板的下端且减速器的动力输出轴与小腿铝板的上端固定连接，组成髋关节机构的直流电机和减速器安装固定在固定支架上且减速器的动力输出轴与大腿铝板的上端固定连接。

上述各直流电机均为直流力矩电机。

上述踝关节机构、膝关节机构和髋关节机构上分别连接有测速装置。

上述小腿铝板和大腿铝板分别由上板块和下板块组成，所述上板块嵌合在下板块内，且所述上板块和下板块上分别设置有若干个可用于调节两板块使用长度的连接孔。

上述小腿铝板和大腿铝板的中部分别设置有绑带。

上述脚掌固定机构包括脚踏板及设置在脚踏板上的用于将脚踏板固定在脚掌上的紧固件，所述脚踏板通过其上的连接杆与上述踝关节机构相连接。

本发明所述的穿戴式下肢助力装置的控制方法，其特点是该控制方法如下：

首先，将下肢助力装置固定到人的两腿部；

然后，开启供电电源，通过下肢助力装置中的足部运动状况检测模块实时检测足部的运动状况，并将检测到的足部运动状况数据经分析处理后实时地发送给主机，主机根据接收到的数据信息来控制下肢助力装置作出与腿部相仿的动作，其具体控制原理如下：

当人的腿部进行上下摆动时，足部运动状况检测模块检测到足底或足背有压力，并将检测到的压力信号经分析处理后发送给主机，主机根据实时接收到的数据信息，通过踝关节机构控制脚掌固定机构跟随人的足部绕踝关节做上下运动；

当人的腿部要向前或向后移动时，足部运动状况检测模块检测到足部有向前或向后的压力，并将检测到的压力信号经分析处理后发送给主机，主机根据实时接收到的数据信息，通过膝关节机构和髋关节机构控制下肢助力装置做前后移动；

当人的腿部要向斜方向移动到某一位置时，足部运动状况检测模块检测到足部有向前和向上的压力，并将检测到的压力信号经分析处理后发送给主机，主机根据实时接收到的数据信息，通过膝关节机构和髋关节机构控制下肢助力装置做出相应的跟随动作，直至足部运动状况检测模块检测不到向前和向上的压力为止。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明的结构简单、控制简易、跟随性好、运动范围大、定位精确，且单侧肢体有三个自由度控制，每个自由度由一台直流电机控制，可实现下肢助力装置紧密跟随人体下肢做出的多种动作，既可应用于助力行走方，亦能逆向使用，通过下肢助力装置实现对人体下肢运动的控制，能够应用于下肢的康复治疗。，而且，三台直流电机构成三角形的三个顶点，大腿铝板和小腿铝板构成三角形的两条边，髋关节电机到踝关节电机的距离构成三角形的另一条边，因此能够通过改变三角形各个角的度数来控制下肢助力装置的运动，而无需根据不同人的身高差异不断地改变大腿铝板和小腿铝板的长度，使用更方便。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的工作流程示意图。

具体实施方式

如图1-图2所示，本发明所述的穿戴式下肢助力装置，由对称设置的两组三自由度机构组成，所述各组三自由度机构分别包括有由下往上依序连接的脚掌固定机构1、踝关节机构2、小腿铝板3、膝关节机构4、大腿铝板5、髋关节机构6和可用于承担负重的固定支架，在脚掌固定机构1上连接有足部运动状况检测模块，在固定支架上设置有供电电源。

其中，踝关节机构2、膝关节机构4和髋关节机构6分别由一台与供电电源电连接的直流电机7及一个与直流电机7的转轴相连接的减速器8组成，其中组成踝关节机构2的直流电机7和减速器8安装固定在小腿铝板3的下端且减速器8的动力输出轴与脚掌固定机构1固定连接，组成膝关节机构4的直流电机7和减速器8安装固定在大腿铝板5的下端且减速器8的动力输出轴与小腿铝板3的上端固定连接，组成髋关节机构6的直流电机7和减速器8安装固定在固定支架上且减速器8的动力输出轴与大腿铝板5的上端固定连接，各直流电机7均为直流力矩电机。所述的直流力矩电机具有快速响应、低转速、大力矩、特性线性度好、力矩波动小等特点，而且结构简单、紧凑、精度高。主机通过控制加在电机两端的电压大小和方向，可以改变电机的转速和转向。电机的转轴与减速器固定连接，减速器周边带有安装固定的螺丝孔四个，螺丝孔与大腿铝板、小腿铝板、固定支架上相应的电机安装螺丝孔一一对应，减速器外部的动力输出轴上有键槽结构，通过键结构与大腿铝板、小腿铝板、脚掌固定机构上相应的键销孔相嵌合，从而带动这些部件的运动。且每台直流电机7独立受控于主机，可同时进行三个自由度的调节。通过控制髋关节自由度和膝关节自由度可实现下肢助力装置的大腿和小腿的运动，踝关节自由度用以控制脚掌固定机构的运动。

足部运动状况检测模块包括若干组应力压力传感器及与各组应力压力传感器电连接的可将检测到的压力信号分析后形成的数据发送给主机的压力信号处理模块，各组应力压力传感器分别设置在脚掌固定机构1的不同区域上。当脚掌固定机构1包括脚踏板11及设置在脚踏板11上的用于将脚踏板11固定在脚掌上的紧固件时，脚踏板11和紧固件上分别设置有应力压力传感器，且脚踏板11是通过其上的连接杆12与踝关节机构2相连接。

如图1所示的大腿铝板5、小腿铝板3分别由上板块9和下板块10两部分组成，上板块9可嵌合在下板块10内，嵌合两侧边缘各有一列连接孔13，并通过与销钉的配合连接而用于固定上板块9和下板块10之间的相对位置，通过这样的结构同时可以达到调节大腿铝板5、小腿铝板3长度目的。各铝板的上部分别设有键销孔，与减速器的转轴及键结构相嵌合，通过该结构，电机转动就能带动铝板绕电机转轴转动。各铝板的下部分别设有安装电机的圆孔结构和四个螺丝孔，螺丝孔与减速器安装螺丝孔相对应，直流力矩电机穿过圆孔，通过四颗螺丝和螺母固定在铝板上。而且，可在小腿铝板3和大腿铝板5的中部分别设置有绑带，通过绑带可将小腿铝板3和大腿铝板5分别固定到人的小腿和大腿上。

为简化说明该装置的控制方法，分别将髋、膝、踝处的直流电机7命名为M1、M2、M3，大腿铝板5、小腿铝板3、M1和M3距离命名为a、b、c。首先足部运动状况检测模块检测穿戴该装置的人的足部受力状况，判断出人将要做出的动作，将该信息反馈给主机，主机再控制相应的直流电机使该装置实现与人体腿部相仿的动作。当人体腿部进行上下摆动时，足部运动状况检测模块的应力压力传感器检测到足底或足背有压力，同时将受力信息发送给主机，主机通过M3控制足部装置跟随人体足部绕着踝关节做上下转动，脚踏板11全程紧密贴着人体足底；当人体下肢要向前或向后移动时，足部运动状况检测模块检测到足部有向前或向后的压力，主机实时接收到信息后通过M1和M2控制下肢外骨骼做前后移动；当人体下肢要向斜方向（如前上方）移动到某一位置时，足部运动状况检测模块检测到足部有向前和向上的压力，主机实时接收到信息后通过M1和M2控制下肢外骨骼做出相应的跟随动作，直至足部装置检测不到向前和向上的压力时停止，完成对人体动作的实时连续仿真，其它运动情况的控制原理与上述方法类似。主机不断地接收来自足部运动状况检测模块判断的人体运动的信息，通过不断地调整M1、M2转动的角度，来实现外骨骼装置对人体下肢动态信息的连续实时跟踪。

同时，每台直流力矩电机配备一个测速装置，能精确地将各电机的实时转速反馈给主机，主机通过改变加在电机两端的电压的占空比来控制电机的转速，而占空比的大小则由足部装置检测到所受的压力大小来决定，电机的转速快慢决定着该下肢助力装置运动的快慢。

M2连接a、b，控制着a、b两条边的夹角，根据实际情况，该夹角的变化范围为0～180度，边a、b为铝板的长度，为固定不变的值（实际若需要可通过变换销钉和连接孔的连接位置来改变长度），边c实际上是人体下肢的长度，因人而异，在a、b边长度固定的情况下，三角形的第三边c边可根据a、b的夹角大小来确定，也就是说可以通过改变a、b间的夹角大小来改变c边的长度，即该下肢助力装置可以能过M2调整a、b间的夹角，而无需变换a、b的长度就能适应不同身高的人。

上述控制方法是本发明所述的穿戴式下肢助力装置跟随人体下肢的运动做出相应的运动，达到仿真模拟人体下肢运动的目的，主要应用于人体穿上该装置行走时，负重的重量由助力装置承受，而人由于助力装置的紧密跟随，几乎感觉不到助力装置带来的束缚力。如果逆向用之，主机也可以实现通过助力装置来控制人体下肢的运动。医生可根据不同病人下肢所患疾病的不同，来制定相应的治疗方案，如对中风病人下肢有运动功能障碍的患者，需要对下肢进行定期的、一定强度的康复训练来恢复病人下肢的正常运动功能，类似这种情形，医生可将康复训练的强度、时间、动作等要求通过主机来控制助力装置进行主动运动，带动患者下肢做出相应运动，达到康复训练的要求。

如图2所示，为本发明的工作流程示意图，通过该示意图更言简意赅的描述了整个装置的工作流程和模式，其中主机可因实际需求不同自行选择如PC、单片机等作为主机；主机从足部运动状况检测模块获取运动方向信息和力信息，从测速装置获取速度信息，综合控制各电机的工作状态；各电机之间的控制和工作相互独立，互不干扰。

Claims (8)

1.一种穿戴式下肢助力装置，由对称设置的两组三自由度机构组成，其特征在于所述各组三自由度机构分别包括有由下往上依序连接的脚掌固定机构（1）、踝关节机构（2）、小腿铝板（3）、膝关节机构（4）、大腿铝板（5）、髋关节机构（6）和固定支架，其中所述脚掌固定机构（1）上连接有足部运动状况检测模块，所述固定支架上设置有供电电源，所述踝关节机构（2）、膝关节机构（4）和髋关节机构（6）分别由一台与供电电源电连接的直流电机（7）及一个与直流电机（7）的转轴相连接的减速器（8）组成，其中组成踝关节机构（2）的直流电机（7）和减速器（8）安装固定在小腿铝板（3）的下端且减速器（8）的动力输出轴与脚掌固定机构（1）固定连接，组成膝关节机构（4）的直流电机（7）和减速器（8）安装固定在大腿铝板（5）的下端且减速器（8）的动力输出轴与小腿铝板（3）的上端固定连接，组成髋关节机构（6）的直流电机（7）和减速器（8）安装固定在固定支架上且减速器（8）的动力输出轴与大腿铝板（5）的上端固定连接，且分别将髋、膝、踝处的直流电机7命名为M1、M2、M3，大腿铝板（5）、小腿铝板（3）、M1和M3距离命名为a、b、c，M2连接a、b，控制着a、b两条边的夹角，该夹角的变化范围为0～180度，边a、b为铝板的长度，边c实际上是人体下肢的长度，在a、b边长度固定的情况下，三角形的第三边c边可根据a、b的夹角大小来确定，即该下肢助力装置可以通过M2调整a、b间的夹角，而无需变换a、b的长度就能适应不同身高的人。

2.根据权利要求1所述的穿戴式下肢助力装置，其特征在于上述足部运动状况检测模块包括若干组应力压力传感器及与各组应力压力传感器电连接的可将检测到的压力信号分析后形成的数据发送给主机的压力信号处理模块，所述各组应力压力传感器分别设置在脚掌固定机构（1）的不同区域上。

3.根据权利要求1所述的穿戴式下肢助力装置，其特征在于上述各直流电机（7）均为直流力矩电机。

4.根据权利要求1所述的穿戴式下肢助力装置，其特征在于上述踝关节机构（2）、膝关节机构（4）和髋关节机构（6）上分别连接有测速装置。

5.根据权利要求1所述的穿戴式下肢助力装置，其特征在于上述小腿铝板（3）和大腿铝板（5）分别由上板块（9）和下板块（10）组成，所述上板块（9）嵌合在下板块（10）内，且所述上板块（9）和下板块（10）上分别设置有若干个可用于调节两板块使用长度的连接孔（13）。

6.根据权利要求1所述的穿戴式下肢助力装置，其特征在于上述小腿铝板（3）和大腿铝板（5）的中部分别设置有绑带。

7.根据权利要求1所述的穿戴式下肢助力装置，其特征在于上述脚掌固定机构（1）包括脚踏板（11）及设置在脚踏板（11）上的用于将脚踏板（11）固定在脚掌上的紧固件，所述脚踏板（11）通过其上的连接杆（12）与上述踝关节机构（2）相连接。

8.一种穿戴式下肢助力装置的控制方法，该方法用于控制如上述任一权利要求所述的穿戴式下肢助力装置，其特征在于该控制方法如下：

首先，将下肢助力装置固定到人的两腿部；

然后，开启供电电源，通过下肢助力装置中的足部运动状况检测模块实时检测足部的运动状况，并将检测到的足部运动状况数据经分析处理后实时地发送给主机，主机根据接收到的数据信息来控制下肢助力装置作出与腿部相仿的动作，其具体控制原理如下：

当人的腿部进行上下摆动时，足部运动状况检测模块检测到足底或足背有压力，并将检测到的压力信号经分析处理后发送给主机，主机根据实时接收到的数据信息，通过踝关节机构（2）控制脚掌固定机构（1）跟随人的足部绕踝关节做上下运动；

当人的腿部要向前或向后移动时，足部运动状况检测模块检测到足部有向前或向后的压力，并将检测到的压力信号经分析处理后发送给主机，主机根据实时接收到的数据信息，通过膝关节机构（4）和髋关节机构（6）控制下肢助力装置做前后移动；

当人的腿部要向斜方向移动到某一位置时，足部运动状况检测模块检测到足部有向前和向上的压力，并将检测到的压力信号经分析处理后发送给主机，主机根据实时接收到的数据信息，通过膝关节机构（4）和髋关节机构（6）控制下肢助力装置做出相应的跟随动作，直至足部运动状况检测模块检测不到向前和向上的压力为止。