CN107259661A - 一种穿戴式下肢柔性助力外衣 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种穿戴式下肢柔性助力外衣，该柔性助力外衣包括外衣本体、鲍登线单元、2个直线牵引单元、步态检测单元，人体通过穿戴下肢柔性助力外衣，实现对正常行走运动的助力。外衣本体贴合在下肢皮肤或衣服表面，鲍登线单元沿外衣本体分布，根据步态检测单元的信号，直线牵引单元驱动鲍登线，在合适的时刻对人体踝关节和髋关节进行牵引助力。2个直线牵引单元重叠在一起放置在背包中，每个直线牵引单元牵引两套鲍登线单元，分别对人体下肢的髋关节和踝关节进行牵引，辅助髋关节的前屈运动和踝关节的趾屈运动，以减小大腿做抬腿动作和脚部跟腱所需要的作用力，进而缓解人体下肢相应肌肉的能量消耗，实现对下肢行走运动的助力。

Description

一种穿戴式下肢柔性助力外衣

技术领域

本发明涉及一种助力外衣，具体说，涉及一种可穿戴且具有柔性的助力外衣。

背景技术

下肢柔性助力外衣可长时间穿戴，用于健康人群尤其是士兵的远距离负重行走、连续负重搬运等，助力外衣可降低人体负重软组织(肌肉、肌腱、韧带等)的承受载荷，进而减少身体的代谢消耗和延缓身体疲劳，降低长时间、高负荷行走引起的受伤风险。对于运动功能障碍患者，柔性助力外衣可提供适量外部助力，有利于激发和修复肢体与损伤中枢神经间的联系；同时，有助于提高人体生理关节的力量再生能力，从而改善患者行走步态和效率。柔性助力外衣系统难点在于如何通过基于纺织布料的连接布带将足够的作用力传递至人体髋、踝关节，在抵消助力外衣系统重力的前提下，降低人体净代谢消耗。在美国国防部高级研究计划局(DARPA)资助下，哈弗大学的Asbeck等提出新型助力装置的设计理念，一种类似于柔性服装的Exosuit，Exosuit作为可穿戴机器人不含任何用于支撑关节的刚体连杆，相反，穿戴者的下肢骨骼支撑所有身体和助力外衣产生的作用力/矩。Park等设计了基于气动肌肉的主动柔性踝足矫形装置，受力结构采用软塑料和复合材料，能够给予踝足部位提供慢变作用力，改善踝关节和脚掌的灵活性，提高下肢行走时的安全性和稳定性。Stirling等针对膝关节开发了主动柔性矫形器(ASO)，采用四组含弹簧的驱动单元，弹簧采用NiTi形状记忆合金(SMA)，学习并记忆下肢摆动阶段中膝关节运动学信息。Kawamura等针对腿部肌肉老化的问题，研制一种行走辅助系统，在下肢向前摆动阶段给予力量补偿，以提高行走的步长，但辅助系统无法提供足够的作用力，行走辅助效果不明显。Imamura等设计了智能布带，利用弹性布带的弹力，降低护理人员在弯腰操作时背部负载。

综上所述，柔性助力系统具有以下优点：①柔性助力系统主要采用复合纤维材料，总体质量轻且弹性好，穿戴之后在身体上的附加质量小，进而降低由于附加质量引起的代谢消耗；②助力系统具有一定柔弹性且仅能在人体生理关节上施加牵引力，因此，对穿戴者的自然步态、关节活动范围影响较小；③柔性助力系统体积小且包覆在人体相应部位，能够穿戴在正常衣服之下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种穿戴式下肢柔性助力外衣，以实现对下肢的柔性助力。

本发明的实施例提供了一种穿戴式下肢柔性助力外衣，其特征在于，该柔性助力外衣包括外衣本体、鲍登线单元、2个直线牵引单元、步态检测单元，人体通过穿戴柔性下肢助力外衣，实现对正常行走运动的助力，外衣本体贴合在下肢皮肤或衣服表面，鲍登线单元沿外衣本体分布，根据步态检测单元的信号，直线牵引单元驱动鲍登线，对人体髋关节和踝关节进行牵引助力。

进一步，外衣本体包括腰环带、2个膝环带和12条连接布带，环带和连接布带之间采用缝合的方式连接；腰环带穿戴于人体腰部，2个膝环带分别穿戴于左、右膝关节上部，左膝环带与腰环带通过4条连接布带连接，4条连接布带沿左大腿前部表面分布，呈X形状连接，连接布带交叉处形成锚点B，锚点B位于左大腿正面偏上位置。在腰环带的正面和锚点B正上方，设计有锚点A。

进一步，鲍登线单元包含左髋鲍登线、左踝鲍登线、右髋鲍登线、右踝鲍登线，每条鲍登线包括线管、PVC润滑层及钢丝绳，钢丝绳位于线管内且沿线管运动，4条鲍登线具有相似的连接方式和功能。左髋鲍登线的线管一端固定在直线牵引单元上，另一端固定在锚点A上，钢丝绳一端连接直线牵引单元的滑块上，另一端固定在锚点B上；在锚点A和B之间增加压簧，钢丝绳穿过压簧中部。鲍登线的线管沿外衣本体表面分布，且固定在外衣本体。

进一步，直线牵引单元包含2组直线运动模块，直线运动模块牵引鲍登线，驱动钢丝沿线管运动。直线运动模块包括直流电机、丝杠、滑块、导杆，直流电机的动力经传动轴传递至一级同步带轮，经同步带传动驱动二级同步带轮，二级同步带轮驱动丝杠，促使滑块沿导杆做直线往复运动。直流电机与丝杠并行排列，2组直线运动模块并列放置，直线运动模块的滑块与鲍登线的钢丝绳连接，线管固定在直线牵引单元的箱体上。

进一步，步态检测单元包括惯性传感器单元、压力传感器和拉力传感器，测量下肢行走步态和鲍登线的牵引力，测量数据反馈至直线牵引单元，计算在下肢髋、踝关节施加的牵引距离和牵引时间。在人体下肢的外侧粘贴惯性传感器单元，分别粘贴在髋关节、膝关节和踝关节外侧，且粘贴位置与各关节的转动轴线对齐；在鞋子的鞋尖处固定1个二级惯性传感器单元，测量脚尖的运动学和动力学信息。在鞋子内侧的足底位置固定5个压力传感器，压力传感器呈勺状分布，压力传感器与足底接触，测量脚部与地面的接触压力和位置；同时，在鲍登线的钢丝绳与直线运动模块的滑块之间，各串联1个拉力传感器。

附图说明

图1是本发明一种穿戴式下肢柔性助力外衣的整体视图；

图2是本发明一种穿戴式下肢柔性助力外衣的正视图；

图3是本发明一种穿戴式下肢柔性助力外衣的侧视图；

图4是直线牵引单元的轴侧视图；

图5是足底压力传感器的分布图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

参图1至图5所示，图1是本发明一种穿戴式下肢柔性助力外衣的整体视图，图2是本发明一种穿戴式下肢柔性助力外衣的正视图，图3是本发明一种穿戴式下肢柔性助力外衣的侧视图，图4是直线牵引单元的轴侧视图，图5是足底压力传感器的分布图。

本实施例提供了一种穿戴式下肢柔性助力外衣，参图1～图5所示，该柔性助力外衣包括外衣本体、鲍登线单元、2个直线牵引单元、步态检测单元，人体1通过穿戴下肢柔性助力外衣，实现对正常行走运动的助力。外衣本体贴合在下肢皮肤或衣服表面，鲍登线单元沿外衣本体分布，根据步态检测单元的信号，直线牵引单元驱动鲍登线，在合适的时刻对人体踝关节和髋关节进行牵引助力。2个直线牵引单元重叠在一起放置在背包2中，每个直线牵引单元牵引两套鲍登线单元，分别对人体下肢的髋关节和踝关节进行牵引，辅助髋关节的前屈运动和踝关节的趾屈运动，以减小大腿3做抬腿动作和脚部跟腱所需要的作用力，进而缓解人体下肢相应肌肉的能量消耗，实现对下肢行走运动的助力。

在本实施例中，参图1、图2和图3所示，外衣本体包括腰环带6、2个膝环带和12条连接布带，环带和连接布带之间采用缝合的方式连接。所述腰环带6穿戴于人体腰部，2个膝环带分别穿戴于左、右膝关节上部，分别称为左膝环带11和右膝环带，所述左膝环带11与所述腰环带6通过4条连接布带连接，4条连接布带分别标记为左上布带7、右上布带8、左下布带9和右下布带10，4条连接布带沿所述大腿3前部表面分布，呈X形状连接，连接布带交叉处形成锚点B，锚点B位于所述大腿3的正面偏上位置。所述左上布带7向左上方向延伸，延伸至所述腰环带6的左侧并缝合在一起，所述右上布带8向右上方延伸，延伸至所述腰环带6的右侧并缝合在一起，所述左下布带9沿所述大腿3表面向左下方延伸，延伸至所述左膝环带11的左侧并缝合在一起，所述右下布带10沿所述大腿3的右下方延伸，延伸至所述左膝环带11的右侧并缝合在一起。在所述腰环带6的正面和锚点B正上方，设计有锚点A，锚点A和锚点B分别用于固定左髋鲍登线14的线管和钢丝绳，通过牵引所述左髋鲍登线14的钢丝绳，促使锚点B相对于锚点A向上抬升，以减小人体抬腿所需要的能量消耗。所述左膝环带11下部连接2条连接布带，分别为左踝布带12和右踝布带13，该2条连接布带均沿膝关节侧面向腓肠肌下部延伸，且穿过膝关节转动轴线，所述左踝布带12和右踝布带13汇交与腓肠肌下方，形成锚点E。与锚点E相对应，在鞋子5的后跟处设计有锚点F，位于锚点E正下方，锚点E和锚点F分别用于固定左踝鲍登线15的线管和钢丝绳，促使锚点F相对于锚点E向上抬升，以减小人体踝关节所需要的能量消耗。相应地，在右膝环带与腰环带之间通过4条连接布带连接，右膝环带下部连接2条布带，形成锚点C和锚点D、锚点G和锚点H，用于固定右髋鲍登线和右踝鲍登线。

在本实施例中，参图1、图2、图3和图4所示，鲍登线单元包含左髋鲍登线14、左踝鲍登线15、右髋鲍登线、右踝鲍登线，每条鲍登线包括线管36、PVC润滑层37和钢丝绳38，所述钢丝绳38位于所述线管36内，在直线牵引单元的驱动下，所述钢丝绳38沿所述线管36运动。所述左髋鲍登线14的线管一端固定在直线牵引单元上，另一端固定在锚点A上；所述左髋鲍登线14的钢丝绳一端连接直线牵引单元的滑块上，另一端固定在锚点B上。相应地，所述左踝鲍登线15的线管一端固定在锚点E上，钢丝绳一端固定在锚点F上；右髋鲍登线的线管一端固定在锚点C上，钢丝绳一端固定在锚点D上；相应地，右踝鲍登线的线管一端固定在锚点G上，钢丝绳一端固定在锚点H上。在锚点E和锚点F之间增加压簧16，钢丝绳穿过所述压簧16中部，在钢丝绳收缩时所述压簧16被压缩，在钢丝绳被释放时，所述压簧16在恢复力的作用下促使钢丝绳伸长至初始状态。相应地，在其余3对锚点之间同样增加了压簧。鲍登线的线管沿外衣本体表面分布，且固定在外衣本体。

在本实施例中，参图4所示，直线牵引单元包含2组直线运动模块，直线运动模块牵引鲍登线，驱动钢丝沿线管运动，直线运动模块的滑块33与鲍登线的钢丝绳连接，鲍登线的线管固定在直线牵引单元的箱体上。左侧板17、右侧板18、前侧板19及后侧板20组成直线牵引单元的箱体，箱体呈扁平立方体形状。直线运动模块包括直流电机22、丝杠31、导杆32、滑块33，所述直流电机22安装在支撑板23，所述支撑板23安装在所述左侧板17上，所述直流电机22的动力经传动轴26传递至一级同步带轮28，经同步带30驱动二级同步带轮42，所述二级同步带轮42驱动所述丝杠31，促使所述滑块33沿所述导杆32做直线往复运动。所述直流电机22的输出轴与所述驱动轴26通过联轴器24连接，所述驱动轴26安装在轴承座25上，所述轴承座25固定在所述前侧板19上，所述一级同步带轮28安装在所述驱动轴26上，通过隔套27和端面挡板29进行轴向固定和定位。为了提高所述直流电机22的散热，增加了散热器21，所述散热器21安装在电机外壳上。所述滑块33沿所述导杆32滑动，通过设计C形挡块34限制所述滑块33的行程。所述直流电机22与所述丝杠31并行排列，2组直线运动模块并列放置，采用相同的零件和结构。

在本实施例中，参图1～5所示，步态检测单元包括惯性传感器单元39、压力传感器41和拉力传感器35，测量下肢行走步态和鲍登线的牵引力，测量数据反馈至直线牵引单元，计算在下肢髋、踝关节施加的牵引距离和牵引时间。在人体下肢的外侧粘贴惯性传感器单元39，在人体左下肢粘贴3个惯性传感器单元，分别粘贴在髋关节、膝关节和踝关节外侧，且粘贴位置与各关节的转动轴线对齐。通过计算3个惯性传感器单元的相对速度和角速度，推导并计算人体下肢步态信息，并及时将信息反馈至直线牵引单元的处理器。在所述鞋子5的鞋尖处固定1个二级惯性传感器单元，测量脚尖的运动学和动力学信息。同时，在所述鞋子5内侧的足底位置固定5个压力传感器41，所述压力传感器41呈勺状分布，所述压力传感器41与足底接触，以测量脚部与地面的接触压力和位置。为了实时测量直线牵引单元对钢丝绳的牵引力，在鲍登线的钢丝绳与直线运动模块的滑块之间，均串联拉力传感器35。

本发明提供一种穿戴式下肢柔性助力外衣，具有如下有益效果：

1)柔性助力系统主要采用复合纤维材料，总体质量轻且弹性好，穿戴之后在身体上的附加质量小，进而降低由于附加质量引起的代谢消耗。

2)助力系统具有一定柔弹性且仅能在人体生理关节上施加牵引力，因此，对穿戴者的自然步态、关节活动范围影响较小。

3)柔性助力系统体积小且包覆在人体相应部位，能够穿戴在正常衣服之下。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (3)

1.一种穿戴式下肢柔性助力外衣，其特征在于，该柔性助力外衣包括外衣本体、鲍登线单元、2个直线牵引单元、步态检测单元；

人体通过穿戴下肢柔性助力外衣，实现对正常行走运动的助力，外衣本体贴合在下肢皮肤或衣服表面，鲍登线单元沿外衣本体分布，根据步态检测单元的信号，直线牵引单元驱动鲍登线，对人体踝关节和髋关节进行牵引助力；

外衣本体包括腰环带、2个膝环带和12条连接布带，环带和连接布带之间采用缝合的方式连接；

腰环带穿戴于人体腰部，2个膝环带分别穿戴于左、右膝关节上部；

左膝环带与腰环带通过4条连接布带连接，4条连接布带沿左大腿前部表面分布，呈X形状连接，连接布带交叉处形成锚点B，锚点B位于左大腿正面偏上位置；

在腰环带的正面和锚点B正上方，设计有锚点A；

左膝环带下部连接2条连接布带，该2条连接布带沿膝关节两侧和左小腿腓肠肌向下分布，且穿过膝关节轴线，2条连接布带汇交与腓肠肌下方，形成锚点E；

在鞋子的后跟处设计有锚点F，位于锚点E正下方；

相应地，在右膝环带与腰环带之间通过4条连接布带连接，右膝环带下部连接2条布带，形成锚点C和锚点D、锚点G和锚点H；

鲍登线单元包含左髋鲍登线、左踝鲍登线、右髋鲍登线、右踝鲍登线，每条鲍登线包括线管及钢丝绳，钢丝绳位于线管内且沿线管运动；

左髋鲍登线的线管一端固定在直线牵引单元上，另一端固定在锚点A上，钢丝绳一端连接直线牵引单元的滑块上，另一端固定在锚点B上；

相应地，左踝鲍登线的线管一端固定在锚点E上，钢丝绳一端固定在锚点F上；

相应地，右髋鲍登线的线管一端固定在锚点C上，钢丝绳一端固定在锚点D上；

相应地，右踝鲍登线的线管一端固定在锚点G上，钢丝绳一端固定在锚点H上；

鲍登线的线管沿外衣本体表面分布，且固定在外衣本体；

直线牵引单元包含2组直线运动模块，直线运动模块牵引鲍登线，驱动钢丝沿线管运动；

直线运动模块包括直流电机、丝杠、滑块、导杆，直流电机的动力经传动轴传递至一级同步带轮，经同步带传动驱动二级同步带轮，二级同步带轮驱动丝杠，促使滑块沿导杆做直线往复运动；

直流电机与丝杠并行排列，2组直线运动模块并列放置，且直线牵引单元呈扁平立方体形状；

直线运动模块的滑块与鲍登线的钢丝绳连接，鲍登线的线管固定在直线牵引单元的箱体上；

步态检测单元包括惯性传感器单元、压力传感器和拉力传感器，测量下肢行走步态和鲍登线的牵引力，测量数据反馈至直线牵引单元；

在人体下肢的外侧粘贴惯性传感器单元，分别粘贴在髋关节、膝关节和踝关节外侧，且粘贴位置与各关节的转动轴线对齐；

在鞋子的鞋尖处固定1个二级惯性传感器单元；

在鞋子内侧的足底位置固定1个或多个压力传感器，压力传感器与足底接触，测量脚部与地面的接触压力和位置；

在鲍登线的钢丝绳与直线运动模块的滑块之间，各串联1个拉力传感器。

2.根据权利要求1所述的一种穿戴式下肢柔性助力外衣，其特征在于，在鞋子内侧的足底位置固定5个压力传感器，压力传感器呈勺状分布。

3.根据权利要求1所述的一种穿戴式下肢柔性助力外衣，其特征在于，

在锚点A和锚点B之间增加压簧，钢丝绳穿过压簧中部，在其余3对锚点之间同样增加压簧。