CN106965154B - 一种外骨骼助力设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外骨骼助力设备，包括身体配戴件、控制系统以及两个执行器件，两个执行器件通过身体配戴件连接起来，执行器件包括牵引索、动力部、旋转关节以及支点部件，动力部包括机架以及动力气缸，旋转关节包括上关节部和下关节部，上关节部上部与机架固定连接，上关节部下部与下关节部上部相铰接；控制系统包括控制器、电气比例阀、触发传感器以及角度传感器，电气比例阀与动力气缸连接；触发传感器与控制器连接；所述角度传感器设置于旋转关节上，角度传感器与控制器连接；控制器与电气比例阀连接。本发明具有人机交互性好、结构灵巧轻便、反应灵敏且易于操作的优点。

Description

一种外骨骼助力设备

技术领域

本发明涉及一种外骨骼装置，具体涉及一种外骨骼助力设备。

背景技术

近年来，穿戴式外骨骼的研究逐渐兴起，目的是将人的灵活性、智慧性与机器强壮性进行有机结合。其主要应用于医疗康复、工业生产、单兵作战等领域。

目前已公布的各种人体穿戴式外骨骼系统有很多，其功能包括提高负重行走能力，重型物资搬运助力，人体上、下肢运行障碍康复等，功能多集中于人体助力行走。其共同特点是在动力源的支持下，通过传感器采集人体信号反馈给控制单元，经过控制单元的逻辑处理后，下达指令使动力执行单元完成动作，以实现相应功能。这样会带来下肢运动趋势预测机制设计，机器人控制策略的制定与实施，动力源和轻便、高效的自给能源装置等一系列关键问题。而目前这些有待解决的问题导致人体穿戴式外骨骼系统在实现相应功能的过程中，无法达到其理想的效果，同时昂贵的制造成本也使其仅仅停留在科学研究阶段，无法广泛应用于工业生产中。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种外骨骼助力设备。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种外骨骼助力设备，包括身体佩戴件、控制系统以及两个执行器件，两个执行器件通过身体佩戴件连接起来，执行器件包括牵引索、动力部、旋转关节以及支点部件，动力部包括机架以及动力气缸，旋转关节包括上关节部和下关节部，上关节部上部与机架固定连接，上关节部下部与下关节部上部相铰接，上关节部中设置有导向轮和副绕线轮，副绕线轮设置于上关节部与下关节部的铰接处上，下关节部中设置有张紧轮以及主缠线轮，支点部件固定于主缠线轮上，牵引索两端分别固定到动力气缸和主缠线轮上，牵引索中部从上往下依次与导向轮、副绕线轮以及张紧轮绕设；

控制系统包括控制器、电气比例阀、肌电传感器以及角度传感器，电气比例阀与动力气缸连接；

所述角度传感器设置于旋转关节上，角度传感器与控制器连接，用于检测上关节部与下关节部之间和/或下关节部与支点部件之间的角度变化并将检测到的角度数据发送至控制器；

控制器与电气比例阀连接，用于根据接收到的启动信号和角度数据控制电气比例阀的开关和流量；

肌电传感器与控制器连接，肌电传感器用于检测表面肌电信号，表面肌电信号特征前期提取通过时域特征提取，其过程为通过均方根、均值以及平方和得出表面肌电信号的强度Q特性；

设置采样频率，通过功率谱估计方法和选取基于短时傅里叶变换的周期图法得出表面肌电信号的频率分布特性，短时傅里叶变换的周期图法是基于Welch法的改进周期图法以及AR模型谱估计算法；

对周期图法得到的功率谱进行了滤波；

基于Welch法的改进周期图法将采样序列分成K段，每段互相独立或者叠加，然后将每段数据与选定的窗函数点乘，再进行离散傅里叶变换，其过程如下所示：

式中w(n)——Hamming数据窗；

L——子序列长度；

x(n)——表面肌电信号采样序列；

K——子序列数量；

D——相邻子序列不重叠数据长度；

X_W(e^jw)——子序列的离散时间傅里叶变换；

S_w(w)——采样信号中频率为w的信号成分对应的强度；

U——使

是渐进无偏估计而引入的一个常数，表示为方程：

式中：N₁——数据窗w(n)的长度；

AR模型谱估计算法将信号序列看成是一个P阶AR过程，如下式所示：

式中：u(n)——均值为0、方差为σ²的白噪声序列；

a_k——AR模型的参数；

根据信号序列的AR模型，其传递函数可表示为：

根据传递函数，基于Burg算法，可得到系统的输出输入功率谱：

通过上述的离散傅里叶变换、基于Welch法的改进周期图法、AR模型谱估计，可以分别计算表面肌电信号序列的功率谱；实际表面肌电信号的处理过程中，采用平均频率或中值频率表征表面肌电信号的特征频率，取平均频率作为表面肌电信号的特征频率，按方程求取其特征频率：

式中：f——特征频率；

|s(x,w_i)|——表面肌电信号的功率谱估计；

w_i——对应频率；

N₂——功率谱估计的长度；

通过对特征频率f与强度Q的提取，设定频率的阈值f′与强度的阈值Q′，当频率或强度与阈值满足如下公式时，控制器控制电气比例阀使动力气缸拉动牵引索：

f-f′≥Δ₁

Q-Q′≥Δ₂

式中：Δ₁——表面肌电信号特征频率的触发精度；

Δ₂——表面肌电信号强度的触发精度。

优选的，所述导向轮包括导向轮铰轴、导向轮铰轴螺钉、导向轮主体、导向轮轴承以及两个导向轮套筒，两个导向轮套筒对应于导向轮轴承内圈的两侧设置，导向轮轴承外圈固定于导向轮主体中，导向轮铰轴依次穿过一导向轮套筒、导向轮轴承以及另一导向轮套筒且导向轮铰轴两端伸出于上关节部，导向轮铰轴螺钉锁紧于导向轮铰轴末端的螺孔上使导向轮套筒将导向轮轴承夹紧于导向轮主体中。

优选的，所述副绕线轮包括副绕线轮铰轴、副绕线轮主体、副绕线轮轴承、两个副绕线轮套筒以及两个法兰轴承，两法兰轴承外圈分别穿接于上关节部两侧壁上，两个副绕线轮套筒相对的两端面分别对应于副绕线轮轴承的内圈两侧设置，两个副绕线轮套筒另外两端面分别对应于两法兰轴承内圈设置，副绕线轮铰轴依次穿过一法兰轴承、一副绕线轮套筒、副绕线轮轴承、另一副绕线轮套筒以及另一法兰轴承且副绕线轮铰轴两端伸出于上关节部，下关节部铰接于副绕线轮铰轴上。

优选的，下关节部上还设置有用于限制上关节部顺时针转动范围的上关节限位杆以及用于限制支点部件逆时针转动的支点部件限位杆，上关节限位杆设置于上关节部顺时针转动的路径上，支点部件限位杆设置于支点部件逆时针转动的路径上。

优选的，所述张紧轮包括张紧轮铰轴、张紧轮铰轴螺钉、张紧轮主体、张紧轮轴承以及两个张紧轮套筒，张紧轮轴承外圈固定于张紧轮主体中，两个张紧轮套筒对应于张紧轮轴承内圈的两侧设置，张紧轮轴承外圈固定于张紧轮主体中，张紧轮铰轴依次穿过一张紧轮套筒、张紧轮轴承以及另一张紧轮套筒且张紧轮铰轴两端伸出于下关节部，张紧轮铰轴螺钉锁紧于张紧轮铰轴末端的螺孔上使张紧轮套筒将张紧轮轴承夹紧于张紧轮主体中。

优选的，所述主缠线轮包括主缠线轮主体、主缠线轮铰轴、主缠线轮轴承、主缠线轮套筒以及外接固定件，两个主缠线轮套筒对应于主缠线轮轴承内圈的两侧设置，主缠线轮轴承外圈固定于主缠线轮主体中，主缠线轮铰轴依次穿过一主缠线轮套筒、主缠线轮轴承以及另一主缠线轮套筒且主缠线轮铰轴两端伸出于下关节部，外接固定件固定连接于主缠线轮主体上，支点部件固定于外接固定件上。

优选的，所述外接固定件包括外接固定块以及两个外接固定板，两个外接固定板固定连接于主缠线轮主体两侧面上，两个外接固定板之间形成安装腔，外接固定块固定设置于安装腔中，外接固定块上纵向开设有铰接孔；

所述支点部件包括腿部挡板、支点部件铰接部以及支点部件铰接轴，支点部件铰接部位于腿部挡板上部，支点部件铰接部纵向开设有铰接通孔，支点部件铰接轴穿接于铰接通孔和铰接孔中，腿部挡板下部设置有能与大腿前侧形状相配合的弧面支撑板。

优选的，所述两个执行器件左右设置，其中设置在左侧的执行器件的副绕线轮设置于导向轮右下方，张紧轮位于副绕线轮右下方，主缠线轮则在张紧轮的右下方，设置在左侧的执行器件的牵引索从导向轮上方伸入并分别依次绕设到导向轮左下部、副绕线轮下部以及张紧轮右上部上；

设置在右侧的执行器件的副绕线轮设置于导向轮左下方，张紧轮位于副绕线轮左下方，主缠线轮则在张紧轮的左下方，设置在右侧的执行器件的牵引索从导向轮上方伸入并分别依次绕设到导向轮右下部、副绕线轮下部以及张紧轮左上部上；

所述主缠线轮外圆周面上开设有线槽，线槽的一端部开设有绳索固定孔，牵引索绕设在线槽中且牵引索端部固定于绳索固定孔中。

优选的，所述动力气缸包括气动装置以及牵引索收紧机构，牵引索收紧机构包括拉板、锁紧块、内衬套、弹簧、拉板立柱以及导向柱，气动装置和导向柱分别固定于机架上，拉板两端与导向柱连接，牵引索从下往上穿过拉板、拉板立柱、弹簧以及内衬套后固定于锁紧块上，内衬套顶部边缘凸出有凸缘，弹簧套接于拉板立柱和内衬套上，弹簧一端与拉板接触，另一端与凸缘接触，气动装置动力输出端连接到拉板上；

角度传感器包括第一角度传感器和第二角度传感器，第一角度传感器与控制器连接，用于检测上关节部与下关节部之间的角度变化并将检测到的角度数据发送至控制器；

第二角度传感器与控制器连接，用于检测下关节部与支点部件之间的角度变化并将检测到的角度数据发送至控制器；

控制器根据第一角度传感器和第二角度传感器检测到的角度值之和控制电气比例阀的流量。

优选的，所述身体佩戴件包括双肩背带、背带连接板、背部弹性拉板、拉板连接座、背板连接座、背部固定板、拉杆以及腰带，双肩背带的两背带下部分别固定连接于两动力部的机架上，双肩背带的两背带上部分别固定于背带连接板上，背带连接板固定于背部弹性拉板上部，背部弹性拉板下部铰接于背部固定板上，拉板连接座设置于背部弹性拉板上，背板连接座固定于背部固定板上，拉杆两端分别铰接在拉板连接座和背板连接座上，背部固定板固定于两动力部的机架上，腰带两侧分别固定于两执行器件的下关节部上；

通过均方根、均值以及平方和得出表面肌电信号的强度Q特性，对于长度为N的信号，其计算方法如下所示：

式中：RMS——均方根；

AVE——均值；

Squ——平方和；

N₃——采样点的数量；

v_i——第i个采样点的电压值；

所述短时傅里叶变换过程如下所示：

式中：x(n)——表面肌电信号采样序列；

N₄——信号长度，即通过长度为N₄的矩形窗对时域信号进行截取；

w——圆频率，可以表示成2πk/N，k＝0，1，...，N-1；

XFFT(e_jw)——采样序列的离散时间傅里叶变换；

SFFT(w)——为采样信号中频率为w的信号成分对应的强度；

设定采样频率为0到500HZ；通过三阶巴特沃兹滤波器对周期图法得到的功率谱进行了滤波；所述窗函数为Hamming窗函数。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明具有人机交互性好、结构灵巧轻便、反应灵敏且易于操作的优点，可达到良好的助力效果且能有效提高效率，本发明可广泛应用于各领域中，采用气动肌腱能达到安全高效防爆的效果，使用过程中，对人体运动不产生干涉，如：对人的正常行走不产生阻碍，本发明的机架、支点部件、上关节部、下关节部等均采用铝合金制造，这使得本发明具有重量轻、强度高的优点，本发明还具有应用范围广、安全可靠、使用寿命长、噪音小以及制造成本低的优点。

2、本发明的控制系统工作时能准确执行各动作且具有易于操作和使用灵活的优点。

3、本发明采用肌电传感器检测表面肌电信号(sEMG)，表面肌电信号(sEMG)是浅层肌肉EMG和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动；表面肌电信号(sEMG)在测量上具有非侵入性、无创伤、操作简单等优点。因此，将表面肌电信号(sEMG)与本发明相结合，不仅可以达到智能触发气动肌腱的目的，而且具有提前预判的作用。在基于表面肌电信号(sEMG)的外骨骼助力设备能识别表面肌电信号(sEMG)的强度与特征频率，当表面肌电信号(sEMG)的强度或特征频率达到设定的阈值时，即通过控制器触发电气比例阀使得气动肌腱进气工作。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1后部的结构示意图。

图3是本发明设置在右侧的执行器件直立时的结构示意图。

图4是本发明设置在左侧的执行器件的结构示意图。

图5是图3在大腿弯曲腰不弯曲抬升货物时的示意图。

图6是图3在弯腰腿部直立提起货物时的示意图。

图7是图3在弯腰和大腿弯曲提起货物时的示意图。

图8是本发明的上关节部和下关节部的连接关系示意图。

图9是图8的爆炸图。

图10是本发明的下关节部结构示意图。

图11是图10的爆炸图。

图12是本发明的气动装置与牵引索收紧机构连接的示意图。

图13是本发明的支点部件与主缠线轮的安装关系示意图。

图14是本发明的主缠线轮主体的结构示意图。

图15是本发明的主缠线轮主体的剖视图。

图16是本发明佩戴后的示意图。

图17是本发明的控制系统的结构框图。

其中，1-执行器件，2-牵引索，3-动力部，4-支点部件，5-机架，6-动力气缸，7-上关节部，8-下关节部，9-导向轮，10-副绕线轮，11-张紧轮，12-主缠线轮，13-导向轮铰轴，14-导向轮铰轴螺钉，15-导向轮主体，16-导向轮轴承，17-导向轮套筒，18-副绕线轮铰轴，19-副绕线轮主体，20-副绕线轮轴承，21-副绕线轮套筒，22-法兰轴承，23-上关节限位杆，24-支点部件限位杆，25-张紧轮铰轴，26-张紧轮铰轴螺钉，27-张紧轮主体，28-张紧轮轴承，29-张紧轮套筒，30-主缠线轮主体，31-主缠线轮铰轴，32-主缠线轮轴承，33-主缠线轮铜套，34-外接固定块，35-外接固定板，36-铰接孔，37-腿部挡板，38-支点部件铰接轴，39-铰接通孔，40-弧面支撑板，41-气动装置，42-拉板，43-锁紧块，44-内衬套，45-弹簧，46-拉板立柱，47-导向柱，48-双肩背带，49-背带连接板，50-背部弹性拉板，51-背部固定板，52-拉杆，53-腰带，54-线槽，55-绳索固定孔，56-电气比例阀，57-气泵以及58-常断开关。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一：

如图1-7及图16所示：一种外骨骼助力设备，包括身体佩戴件、控制系统以及两个执行器件1，两个执行器件通过身体佩戴件连接起来，两执行器件均包括牵引索2、动力部3、旋转关节以及佩戴于腿部上的支点部件4，动力部3包括机架5以及动力气缸6，旋转关节包括上关节部7和下关节部8，上关节部7上部与机架5固定连接，上关节部7下部与下关节部8上部相铰接，上关节部7中设置有导向轮9和副绕线轮10，副绕线轮设置于上关节部7与下关节部8的铰接处上，下关节部8中设置有张紧轮11以及主缠线轮12，支点部件4固定于主缠线轮12上，牵引索2两端分别固定到动力气缸6和主缠线轮12上，牵引索2中部从上往下依次与导向轮9、副绕线轮10以及张紧轮11绕设。

如图8和图9所示：优选的，所述导向轮9包括导向轮铰轴13、导向轮铰轴螺钉14、导向轮主体15、导向轮轴承16以及两个导向轮套筒17，两个导向轮套筒17对应于导向轮轴承16内圈的两侧设置，导向轮轴承16外圈固定于导向轮主体15中，导向轮铰轴13依次穿过其中一导向轮套筒17、导向轮轴承16以及另一导向轮套筒17且导向轮铰轴13两端伸出于上关节部7，导向轮铰轴螺钉14锁紧于导向轮铰轴13末端的螺孔上使导向轮套筒17将导向轮轴承16夹紧于导向轮主体15中。

如图8和图9所示：优选的，所述副绕线轮10包括副绕线轮铰轴18、副绕线轮主体19、副绕线轮轴承20、两个副绕线轮套筒21以及两个法兰轴承22，两法兰轴承22外圈分别穿接于上关节部7两侧壁上，两个副绕线轮套筒21相对的两端面分别对应于副绕线轮轴承20的内圈两侧设置，两个副绕线轮套筒21另外两端面分别对应于两法兰轴承22内圈设置，副绕线轮铰轴18依次穿过一法兰轴承22、一副绕线轮套筒21、副绕线轮轴承20、另一副绕线轮套筒21以及另一法兰轴承22且副绕线轮铰轴18两端伸出于上关节部7，下关节部8铰接于副绕线轮铰轴18上。

如图3-7所示，优选的，下关节部8上还设置有用于限制上关节部7顺时针转动范围的上关节限位杆23以及用于限制支点部件4逆时针转动的支点部件限位杆24，上关节限位杆23设置于上关节部7顺时针转动的路径上，支点部件限位杆24设置于支点部件4逆时针转动的路径上。

如图11所示：优选的，所述张紧轮11包括张紧轮铰轴25、张紧轮铰轴螺钉26、张紧轮主体27、张紧轮轴承28以及两个张紧轮套筒29，张紧轮轴承28外圈固定于张紧轮主体27中，两个张紧轮套筒29对应于张紧轮轴承28内圈的两侧设置，张紧轮轴承28外圈固定于张紧轮主体27中，张紧轮铰轴25依次穿过一张紧轮套筒29、张紧轮轴承28以及另一张紧轮套筒29且张紧轮铰轴25两端伸出于下关节部8，张紧轮铰轴螺钉26锁紧于张紧轮铰轴25末端的螺孔上使张紧轮套筒29将张紧轮轴承28夹紧于张紧轮主体27中。

如图10和11所示：优选的，所述主缠线轮包括主缠线轮主体30、主缠线轮铰轴31、主缠线轮轴承32、主缠线轮套筒33以及外接固定件，两个主缠线轮套筒33对应于主缠线轮轴承32内圈的两侧设置，主缠线轮轴承32外圈固定于主缠线轮主体30中，主缠线轮铰轴31依次穿过其中一主缠线轮套筒33、主缠线轮轴承32以及另一主缠线轮套筒33且主缠线轮铰轴31两端伸出于下关节部8，外接固定件固定连接于主缠线轮主体30上，支点部件4固定于外接固定件上。

如图10和图11所示：优选的，所述外接固定件包括外接固定块34以及两个外接固定板35，两个外接固定板35固定连接于主缠线轮主体30两侧面上，两个外接固定板35之间形成安装腔，外接固定块34固定设置于安装腔中，外接固定块34上纵向开设有铰接孔36；

如图1-7及图13和图16所示：所述支点部件包括腿部挡板37、支点部件铰接部以及支点部件铰接轴38，支点部件铰接部位于腿部挡板37上部，支点部件铰接部纵向开设有铰接通孔39，支点部件铰接轴38穿接于铰接通孔39和铰接孔36中，腿部挡板37下部设置有能与大腿前侧形状相配合的弧面支撑板40。

如图1-7及图16所示，优选的，所述两个执行器件1左右设置，其中设置在左侧的执行器件1的副绕线轮10设置于导向轮9右下方，张紧轮11位于副绕线轮10右下方，主缠线轮12则在张紧轮11的右下方，设置在左侧的执行器件1的牵引索2从导向轮9上方伸入并分别依次绕设到导向轮9左下部、副绕线轮10下部以及张紧轮11右上部上；

如图1、2、4和16所示：设置在右侧的执行器件1的副绕线轮10设置于导向轮9左下方，张紧轮11位于副绕线轮10左下方，主缠线轮12则在张紧轮11的左下方，设置在右侧的执行器件1的牵引索2从导向轮9上方伸入并分别依次绕设到导向轮9右下部、副绕线轮10下部以及张紧轮11左上部上。

如图1、2、12及16所示：优选的，所述动力气缸6包括气动装置41以及牵引索收紧机构，牵引索收紧机构包括拉板42、锁紧块43、内衬套44、弹簧45、拉板立柱46以及导向柱47，气动装置41和导向柱47分别固定于机架5上，拉板42两端与导向柱47连接，牵引索2从下往上穿过拉板42、拉板立柱46、弹簧45以及内衬套44后固定于锁紧块43上，内衬套44顶部边缘凸出有凸缘，弹簧45套接于拉板立柱46和内衬套44上，弹簧45一端与拉板42接触，另一端与凸缘接触，气动装置41动力输出端连接到拉板42上，所述气动装置41为气动肌腱。

如图1-7和图16所示：优选的，所述身体佩戴件包括双肩背带48、背带连接板49、背部弹性拉板50、拉板连接座、背板连接座、背部固定板51、拉杆52以及腰带53，双肩背带48的两背带下部分别固定连接于两动力部3的机架5上，双肩背带48的两背带上部分别固定于背带连接板49上，背带连接板49固定于背部弹性拉板50上部，背部弹性拉板50下部铰接于背部固定板51上，拉板连接座设置于背部弹性拉板50上，背板连接座固定于背部固定板51上，拉杆52两端分别铰接在拉板连接座和背板连接座上，背部固定板51固定于两动力部3的机架5上，腰带53两侧分别固定于两执行器件1的下关节部8上。

如图3-7、图11、图13、图14及图15所示：所述主缠线轮主体30外圆周面上开设有线槽54，线槽54的一端部开设有绳索固定孔55，牵引索2绕设在线槽54中且牵引索2端部固定于绳索固定孔55中。

如图17所示：优选的，控制系统包括控制器、电气比例阀56、触发传感器、角度传感器、模数转换器、气泵57、为控制系统提供电能的直流电源以及用于控制控制系统开关的常断开关58，气泵57与电气比例阀56连接，电气比例阀56与气动肌腱连接；控制器为单片机，还设置有用于向单片机载入控制程度的计算机。

触发传感器通过模数转换器与控制器连接，当触发传感器被触发时触发传感器通过模数转换器向控制器发送启动信号；

所述角度传感器设置于旋转关节上，角度传感器通过模数转换器与控制器连接，用于检测上关节部与下关节部之间和/或下关节部与支点部件之间的角度变化并将检测到的角度数据通过模数转换器发送至控制器；

控制器与电气比例阀连接，用于根据接收到的启动信号和角度数据控制电气比例阀的开关和流量。

角度传感器包括第一角度传感器和第二角度传感器，第一角度传感器与控制器连接，用于检测上关节部与下关节部之间的角度变化并将检测到的角度数据发送至控制器；

第二角度传感器与控制器连接，用于检测下关节部与支点部件之间的角度变化并将检测到的角度数据发送至控制器；

控制器根据第一角度传感器和第二角度传感器检测到的角度值之和控制电气比例阀的流量；

如图17所示：优选的，触发传感器为肌电传感器或位移传感器，当触发传感器为位移传感器时，位移传感器用于检测牵引索的位移变化并将位移数据发送至控制器。

更优选的，当触发传感器为位移传感器时，位移传感器的触头与检测内衬套44的凸缘相接触，由于弹簧45的作用，内衬套44始终紧粘于锁紧块43上，因此，在牵引索2移动时，内衬套44会随牵引索2的移动而上或下移动，所以位移传感器通过检测内衬套44的位移变化即可得到牵引索的位移数据。

工作时，若触发传感器为位移传感器时，当大腿弯曲和/或弯腰提起货物时，内衬套44下移压缩弹簧45和位移传感器的触头，抓紧货物后，大腿和/或上半身上移，此时，检测内衬套44在弹簧45的作用下向上移动，位移传感器的触头即检测到内衬套44上移的动作，然后，向控制器发送启动信号，控制器控制电气比例阀使气泵与气动肌腱接通并向气动肌腱供气，由于牵引索放线极限为内衬套与拉板立柱接触，因此，无论大腿弯曲提货物、弯腰提货物还是大腿和腰弯曲提货物，旋转关节的总弯曲角度都是固定的，即，当上关节部与下关节部之间的弯曲角度较大时，下关节部与支点部件之间的弯曲角度范围则减少，反之，下关节部与支点部件之间的弯曲角度较大时，上关节部与下关节部之间的弯曲角度范围则减少，因此可通过根据第一角度传感器和第二角度传感器检测到的角度值之和控制电气比例阀的供气流量，从而使得在开始提升时能有较快的速度，而在提升到接近到位时能有一个较慢的速度，从而达到避免产生冲击和避免上升过快和突然停止使佩戴者受伤，此外，还提高了佩戴的舒适性。

若触发传感器为肌电传感器时，肌电传感器检测到人手抬升货物的信号时向控制器发送启动信号，控制器控制电气比例阀使气泵与气动肌腱接通并向气动肌腱供气，而电气比例阀的流量控制则根据角度传感器检测到的角度数据进行控制，其工作原理与上述相同，在此不再进行描述。

本发明的工作过程及工作原理：使用时，首先进行佩戴，双肩背带的两背带分别穿进到双肩上，将腰带佩戴到腰部，同时使两弧面支撑板配合到大腿前侧，腿部挡板中部和上部则位于大腿两侧，完成佩戴。

佩戴完成后，人直立，此时，上关节部与上关节限位杆相接触，即上关节部处于顺时针旋转的极限位置上，而支点部件也与支点部件限位杆接触，即支点部件处于逆时针旋转的极限位置上。这样的设置好处在于可防止人在直立后由于负重而产生后倾或向后倒的情况发生，提高安全性，同时，也有利于在不佩戴时装置形态的固定，方便运输。

使用本发明提起货物和放下货物时可通过以下三种方式执行：

第一种方式，小幅度抬升货物时：大腿弯曲上身下降且腰不弯曲，在大腿弯曲时，两大腿分别通过两弧面支撑板带动上关节部顺时针转动，而此时，上关节部的转动带动主缠线轮主体顺时针转动，主缠线轮主体转动缠绕牵引索，牵引索另一端通过锁紧块带动内衬套下移，弹簧收缩，实现牵引索的放线(牵引索放线极限为内衬套与拉板立柱接触)，当使用者抓稳货物后，控制系统控制动力气缸启动，动力气缸收缩拉动拉板上升，当拉板立柱与内衬套接触时，拉板立柱带动内衬套向上移动，牵引索收线，牵引索另一端带动主缠线轮主体逆时针转动，此时，两弧面支撑板对大腿产生克服货物重力使大腿转动至与身体直立的推力F1，驱使身体上升，从而达到辅助人提起货物的目的。当大腿与身体直立时，本发明恢复至初始状态，即支点部件逆时针旋转到极限位置上与支点部件限位杆接触，防止支点部件逆时针旋转过度导致大腿在直立后仍受到支点部件的压力，影响正常行走或大腿的运动。

第二种方式，弯腰提起货物：在弯腰时，腿部保持直立，由于腿部没有弯曲，两弧面支撑板压在大腿上，因此，主缠线轮不产生转动，因此，主缠线轮在此时将牵引索的一端固定起来，人在弯腰时，双肩通过带动背部固定板从而带动两动力部的机架向前移动，即，两动力部的机架带动上关节部逆时针转动，此时，上关节部绕副绕线轮铰轴转动，因此，牵引索绕在副绕线轮主体上，在机架向前转动时(逆时针转动)，牵引索的另一端拉动内衬套下移使弹簧收缩以补偿绕在副绕线轮主体的牵引索长度，当腰部弯曲到位且使用者抓稳货物后，控制系统控制动力气缸启动，动力气缸收缩拉动拉板上升，当拉板立柱与内衬套接触时，拉板立柱带动内衬套沿导向柱向上移动，由于两弧面支撑板压在大腿上，此时主缠线轮将牵引索的一端固定起来，因此，在动力气缸持续拉动下，牵引索的另一端得到主缠线轮带来的反作用力，使机架转动并通过双肩背带对肩部施加能克服货物重力使腰部转动至与腿部直立的拉力F2，从而使身体的上半身顺时针转动直立起来，达到辅助将货物提起的目的，当人体恢复直立时，上关节部与上关节限位杆相接触，即上关节部处于顺时针旋转的极限位置上，防止由于上关节部和机架顺时针旋转过度导致人体向后倒的情况发生。

第三种方式，弯腰和大腿弯曲提起货物：由于腰部和大腿同时弯曲，两大腿分别通过两弧面支撑板带动上关节部顺时针转动，主缠线轮主体转动缠绕牵引索，同时，由于腰部在弯曲，因此双肩通过带动背部固定板从而带动两动力部的机架向前移动，即，两动力部的机架带动上关节部逆时针转动，此时，上关节部绕副绕线轮铰轴转动，因此，牵引索绕在副绕线轮主体上，在机架向前转动时(逆时针转动)结合支点部件，两者同时拉动内衬套下移使弹簧收缩，当使用者腰部和大腿弯曲到位并抓稳货物后，控制系统控制动力气缸启动，动力气缸收缩拉动拉板上升，当拉板立柱与内衬套接触时，拉板立柱带动内衬套向上移动，从而拉动牵引索上升，此时，牵引索另一端带动主缠线轮主体逆时针转动，两弧面支撑板对大腿产生克服货物重力使大腿转动至与身体直立的推力F1，驱使身体上升，与此同时，主缠线轮给牵引索的另一端带来反作用力，使机架转动并通过双肩背带对肩部施加能克服货物重力使腰部转动至与腿部直立的拉力F2，从而使身体的上半身顺时针转动伴随腿部同时直立起来，当腿部和腰部均直立起来后，上关节部与上关节限位杆相接触，即上关节部处于顺时针旋转的极限位置上，而支点部件也与支点部件限位杆接触，即支点部件处于逆时针旋转的极限位置上，防止支点部件逆时针旋转过度导致大腿在直立后仍受到支点部件的压力，影响正常行走或大腿的正常摆动，也防止由于上关节部和机架顺时针旋转过度导致人体向后倒的情况发生。

上述中的顺时针转动及逆时针转动均从本发明的右侧观察得到，若在本发明的左侧观察则得到相反的转向，在此不再进行描述。

实施例二：

一种外骨骼助力设备，包括身体佩戴件、控制系统以及两个执行器件，两个执行器件通过身体佩戴件连接起来，执行器件包括牵引索、动力部、旋转关节以及支点部件，动力部包括机架以及动力气缸，旋转关节包括上关节部和下关节部，上关节部上部与机架固定连接，上关节部下部与下关节部上部相铰接，上关节部中设置有导向轮和副绕线轮，副绕线轮设置于上关节部与下关节部的铰接处上，下关节部中设置有张紧轮以及主缠线轮，支点部件固定于主缠线轮上，牵引索两端分别固定到动力气缸和主缠线轮上，牵引索中部从上往下依次与导向轮、副绕线轮以及张紧轮绕设；

控制系统包括控制器、电气比例阀、肌电传感器以及角度传感器，电气比例阀与动力气缸连接；所述控制器可以为单片机；

所述角度传感器设置于旋转关节上，角度传感器与控制器连接，用于检测上关节部与下关节部之间和/或下关节部与支点部件之间的角度变化并将检测到的角度数据发送至控制器；

控制器与电气比例阀连接，用于根据接收到的启动信号和角度数据控制电气比例阀的开关和流量；

肌电传感器与控制器连接，肌电传感器用于检测表面肌电信号，由于人体骨骼肌收缩力、收缩速度等特性都会体现在肌电信号的强度和频率中。因此，本发明中，表面肌电信号特征前期提取主要通过时域特征提取方法，主要包括：均方根(Root meansquare.RMS)、均值、平方和等，并且可以得出表面肌电信号的强度等特性。对于长度为N的信号，其计算方法如下所示：

式中：RMS——均方根；

AVE——均值；

Squ——平方和；

N₃——采样点的数量；

v_i——第i个采样点的电压值。

在本发明实际应用中，由于表面肌电信号的最高频率一般为500Hz，因此设定采样频率为2kHz，即采样间隔为500微秒。因此为达到准确控制的目的，还需得出表面肌电信号的频率分布特性，通过功率谱估计方法，考虑到表面肌电信号非平稳性的特点，以及实际应用过程中高实时性的要求，选取基于短时傅里叶变换的周期图法，其基于Welch法的改进周期图法，以及AR模型谱估计算法。其中，短时傅里叶变换(STFT)过程如下所示：

式中：x(n)——表面肌电信号采样序列；

N₄——信号长度，即通过长度为N₄的矩形窗对时域信号进行截取；

w——圆频率，可以表示成2πk/N，k＝0，1，...，N-1；

X_FFT(e^jw)——采样序列的离散时间傅里叶变换(DTFT)；

S_FFT(w)——为采样信号中频率为w的信号成分对应的强度。

由于离散傅里叶变换后的数据方差特性较差，因此利用三阶巴特沃兹滤波器对周期图法得到的功率谱进行了滤波。

基于Welch法的改进周期图法将采样序列分成K段，每段互相独立或者叠加，然后将每段数据与选定的窗函数(使用Hamming窗作为子序列的数据窗)点乘，再进行离散傅里叶变换，其过程如下所示：

式中：w(n)——Hamming数据窗；

L——子序列长度；

x(n)——表面肌电信号采样序列；

K——子序列数量；

D——相邻子序列不重叠数据长度；

X_W(e^jw)——子序列的离散时间傅里叶变换；

S_w(w)——采样信号中频率为w的信号成分对应的强度；

U——使

是渐进无偏估计而引入的一个常数，可表示为方程：

式中：N₁——数据窗w(n)的长度。

AR模型谱估计算法将信号序列看成是一个P阶AR过程，如下式所示，从根本上摒弃了对数据序列加窗的假设：

式中：u(n)——均值为0、方差为σ²的白噪声序列；

a_k——AR模型的参数。

根据信号序列的AR模型，其传递函数可表示为：

根据传递函数，基于Burg算法，可得到系统的输出输入功率谱：

通过上述的离散傅里叶变换、Welch改进周期图法、AR模型估计，可以分别计算表面肌电信号序列的功率谱。实际表面肌电信号的处理过程中，平均频率(mean-frequency-MNF)或中值频率(median frequency-MDF)经常被用于表征表面肌电信号的特征频率，通过一些相关实验，己证明表面肌电信号的平均频率与肌肉的主动收缩力或者疲劳程度存在一定的映射关系，并在实际应用过程中并取得了较好的效果，因此选取平均频率作为表面肌电信号的特征频率，按方程求取其特征频率f：

式中：f——特征频率；

|s(x,w_i)|——表面肌电信号的功率谱估计；

w_i——对应频率；

N₂——功率谱估计的长度。

通过对特征频率f与强度Q的提取，设定频率的阈值f′与强度的阈值Q′，当频率或强度与阈值满足如下公式时，控制器控制电气比例阀使动力气缸拉动牵引索：

f-f′≥Δ₁

Q-Q′≥Δ₂

式中：Δ₁——表面肌电信号特征频率的触发精度；

Δ₂——表面肌电信号强度的触发精度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种外骨骼助力设备，其特征在于：包括身体佩戴件、控制系统以及两个执行器件，两个执行器件通过身体佩戴件连接起来，执行器件包括牵引索、动力部、旋转关节以及支点部件，动力部包括机架以及动力气缸，旋转关节包括上关节部和下关节部，上关节部上部与机架固定连接，上关节部下部与下关节部上部相铰接，上关节部中设置有导向轮和副绕线轮，副绕线轮设置于上关节部与下关节部的铰接处上，下关节部中设置有张紧轮以及主缠线轮，支点部件固定于主缠线轮上，牵引索两端分别固定到动力气缸和主缠线轮上，牵引索中部从上往下依次与导向轮、副绕线轮以及张紧轮绕设；

所述动力气缸包括气动装置以及牵引索收紧机构，牵引索收紧机构包括拉板、锁紧块、内衬套、弹簧、拉板立柱以及导向柱，气动装置和导向柱分别固定于机架上，拉板两端与导向柱连接，牵引索从下往上穿过拉板、拉板立柱、弹簧以及内衬套后固定于锁紧块上，内衬套顶部边缘凸出有凸缘，弹簧套接于拉板立柱和内衬套上，弹簧一端与拉板接触，另一端与凸缘接触，气动装置动力输出端连接到拉板上；

控制系统包括控制器、电气比例阀、肌电传感器以及角度传感器，电气比例阀与动力气缸连接；

所述角度传感器设置于旋转关节上，角度传感器与控制器连接，用于检测上关节部与下关节部之间和/或下关节部与支点部件之间的角度变化并将检测到的角度数据发送至控制器；

控制器与电气比例阀连接，用于根据接收到的启动信号和角度数据控制电气比例阀的开关和流量；

角度传感器包括第一角度传感器和第二角度传感器，第一角度传感器与控制器连接，用于检测上关节部与下关节部之间的角度变化并将检测到的角度数据发送至控制器；

第二角度传感器与控制器连接，用于检测下关节部与支点部件之间的角度变化并将检测到的角度数据发送至控制器；

控制器根据第一角度传感器和第二角度传感器检测到的角度值之和控制电气比例阀的流量；

肌电传感器与控制器连接，肌电传感器用于检测表面肌电信号，表面肌电信号特征前期提取通过时域特征提取，其过程为通过均方根、均值以及平方和得出表面肌电信号的强度特性；

通过均方根、均值以及平方和得出表面肌电信号的强度Q特性，对于长度为N的信号，其计算方法如下所示：

式中：RMS——均方根；

AVE——均值；

Squ——平方和；

N₃——采样点的数量；

v_i——第i个采样点的电压值；

设置采样频率，通过功率谱估计方法和选取基于短时傅里叶变换的周期图法得出表面肌电信号的频率分布特性，短时傅里叶变换的周期图法是基于Welch法的改进周期图法以及AR模型谱估计算法；

对周期图法得到的功率谱进行了滤波；

基于Welch法的改进周期图法将采样序列分成K段，每段互相独立或者叠加，然后将每段数据与选定的窗函数点乘，再进行离散傅里叶变换，其过程如下所示：

式中w(n)——Hamming数据窗；

L——子序列长度；

x(n)——表面肌电信号采样序列；

K——子序列数量；

D——相邻子序列不重叠数据长度；

X_W(e^jw)——子序列的离散时间傅里叶变换；

S_w(w)——采样信号中频率为w的信号成分对应的强度；

U——使

是渐进无偏估计而引入的一个常数，表示为方程：

式中：N₁——数据窗w(n)的长度；

AR模型谱估计算法将信号序列看成是一个P阶AR过程，如下式所示：

式中：u(n)——均值为0、方差为σ²的白噪声序列；

a_k——AR模型的参数；

根据信号序列的AR模型，其传递函数可表示为：

根据传递函数，基于Burg算法，可得到系统的输出输入功率谱：

通过上述的离散傅里叶变换、基于Welch法的改进周期图法、AR模型谱估计，可以分别计算表面肌电信号序列的功率谱；实际表面肌电信号的处理过程中，采用平均频率或中值频率表征表面肌电信号的特征频率，取平均频率作为表面肌电信号的特征频率，按方程求取其特征频率：

式中：f——特征频率；

|s(x,w_i)|——表面肌电信号的功率谱估计；

w_i——对应频率；

N₂——功率谱估计的长度；

通过对特征频率f与强度Q的提取，设定频率的阈值f′与强度的阈值Q′，当频率或强度与阈值满足如下公式时，控制器控制电气比例阀使动力气缸拉动牵引索：

f-f′≥Δ₁

Q-Q′≥Δ₂

式中：Δ₁——表面肌电信号特征频率的触发精度；

Δ₂——表面肌电信号强度的触发精度。

2.根据权利要求1所述的外骨骼助力设备，其特征在于：所述导向轮包括导向轮铰轴、导向轮铰轴螺钉、导向轮主体、导向轮轴承以及两个导向轮套筒，两个导向轮套筒对应于导向轮轴承内圈的两侧设置，导向轮轴承外圈固定于导向轮主体中，导向轮铰轴依次穿过一导向轮套筒、导向轮轴承以及另一导向轮套筒且导向轮铰轴两端伸出于上关节部，导向轮铰轴螺钉锁紧于导向轮铰轴末端的螺孔上使导向轮套筒将导向轮轴承夹紧于导向轮主体中。

3.根据权利要求1或2所述的外骨骼助力设备，其特征在于：所述副绕线轮包括副绕线轮铰轴、副绕线轮主体、副绕线轮轴承、两个副绕线轮套筒以及两个法兰轴承，两法兰轴承外圈分别穿接于上关节部两侧壁上，两个副绕线轮套筒相对的两端面分别对应于副绕线轮轴承的内圈两侧设置，两个副绕线轮套筒另外两端面分别对应于两法兰轴承内圈设置，副绕线轮铰轴依次穿过一法兰轴承、一副绕线轮套筒、副绕线轮轴承、另一副绕线轮套筒以及另一法兰轴承且副绕线轮铰轴两端伸出于上关节部，下关节部铰接于副绕线轮铰轴上。

4.根据权利要求1所述的外骨骼助力设备，其特征在于：下关节部上还设置有用于限制上关节部顺时针转动范围的上关节限位杆以及用于限制支点部件逆时针转动的支点部件限位杆，上关节限位杆设置于上关节部顺时针转动的路径上，支点部件限位杆设置于支点部件逆时针转动的路径上。

5.根据权利要求1所述的外骨骼助力设备，其特征在于：所述张紧轮包括张紧轮铰轴、张紧轮铰轴螺钉、张紧轮主体、张紧轮轴承以及两个张紧轮套筒，张紧轮轴承外圈固定于张紧轮主体中，两个张紧轮套筒对应于张紧轮轴承内圈的两侧设置，张紧轮轴承外圈固定于张紧轮主体中，张紧轮铰轴依次穿过一张紧轮套筒、张紧轮轴承以及另一张紧轮套筒且张紧轮铰轴两端伸出于下关节部，张紧轮铰轴螺钉锁紧于张紧轮铰轴末端的螺孔上使张紧轮套筒将张紧轮轴承夹紧于张紧轮主体中。

6.根据权利要求1或5所述的外骨骼助力设备，其特征在于：所述主缠线轮包括主缠线轮主体、主缠线轮铰轴、主缠线轮轴承、主缠线轮套筒以及外接固定件，两个主缠线轮套筒对应于主缠线轮轴承内圈的两侧设置，主缠线轮轴承外圈固定于主缠线轮主体中，主缠线轮铰轴依次穿过一主缠线轮套筒、主缠线轮轴承以及另一主缠线轮套筒且主缠线轮铰轴两端伸出于下关节部，外接固定件固定连接于主缠线轮主体上，支点部件固定于外接固定件上。

7.根据权利要求6所述的外骨骼助力设备，其特征在于：所述外接固定件包括外接固定块以及两个外接固定板，两个外接固定板固定连接于主缠线轮主体两侧面上，两个外接固定板之间形成安装腔，外接固定块固定设置于安装腔中，外接固定块上纵向开设有铰接孔；

所述支点部件包括腿部挡板、支点部件铰接部以及支点部件铰接轴，支点部件铰接部位于腿部挡板上部，支点部件铰接部纵向开设有铰接通孔，支点部件铰接轴穿接于铰接通孔和铰接孔中，腿部挡板下部设置有能与大腿前侧形状相配合的弧面支撑板。

8.根据权利要求1所述的外骨骼助力设备，其特征在于：所述两个执行器件左右设置，其中设置在左侧的执行器件的副绕线轮设置于导向轮右下方，张紧轮位于副绕线轮右下方，主缠线轮则在张紧轮的右下方，设置在左侧的执行器件的牵引索从导向轮上方伸入并分别依次绕设到导向轮左下部、副绕线轮下部以及张紧轮右上部上；

设置在右侧的执行器件的副绕线轮设置于导向轮左下方，张紧轮位于副绕线轮左下方，主缠线轮则在张紧轮的左下方，设置在右侧的执行器件的牵引索从导向轮上方伸入并分别依次绕设到导向轮右下部、副绕线轮下部以及张紧轮左上部上；

所述主缠线轮外圆周面上开设有线槽，线槽的一端部开设有绳索固定孔，牵引索绕设在线槽中且牵引索端部固定于绳索固定孔中。

9.根据权利要求1所述的外骨骼助力设备，其特征在于：所述身体佩戴件包括双肩背带、背带连接板、背部弹性拉板、拉板连接座、背板连接座、背部固定板、拉杆以及腰带，双肩背带的两背带下部分别固定连接于两动力部的机架上，双肩背带的两背带上部分别固定于背带连接板上，背带连接板固定于背部弹性拉板上部，背部弹性拉板下部铰接于背部固定板上，拉板连接座设置于背部弹性拉板上，背板连接座固定于背部固定板上，拉杆两端分别铰接在拉板连接座和背板连接座上，背部固定板固定于两动力部的机架上，腰带两侧分别固定于两执行器件的下关节部上。

10.根据权利要求1所述的外骨骼助力设备，其特征在于：所述短时傅里叶变换过程如下所示：

式中：x(n)——表面肌电信号采样序列；

N₄——信号长度，即通过长度为N₄的矩形窗对时域信号进行截取；

w——圆频率，表示成2πk/N，k＝0，1，...，N-1；

X_FFT(e^jw)——采样序列的离散时间傅里叶变换；

S_FFT(w)——为采样信号中频率为w的信号成分对应的强度；

设定采样频率为0到500HZ；通过三阶巴特沃兹滤波器对周期图法得到的功率谱进行了滤波；所述窗函数为Hamming窗函数。

Images