CN107802461A - 一种可穿戴单下肢智能助力外骨骼及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能医疗辅助设备技术领域，公开了一种可穿戴单下肢智能助力外骨骼及其控制方法，所述可穿戴单下肢智能助力外骨骼，包括动力组件、控制器以及依次连接的大腿支撑部、小腿支撑部和足底部；所述大腿支撑部与所述小腿支撑部通过限位组件铰接连接，所述小腿支撑部与所述足底部通过碳纤维弹性板连接。本发明提供的可穿戴单下肢智能助力外骨骼避免了人体在运动过程中造成二次伤害；同时在足底部与小腿支撑部之间选择碳纤维弹性板连接，该碳纤维弹性板可以储存一部分能量，在离地时可以释放一部分能量，可以起到省力的作用，同时也避免了足底在落地时与地面的刚性接触。

Description

一种可穿戴单下肢智能助力外骨骼及其控制方法

技术领域

本发明涉及智能医疗辅助设备技术领域，尤其涉及一种可穿戴单下肢智能助力外骨骼及其控制方法。

背景技术

可穿戴单下肢智能助力外骨骼机器人是一种可穿戴的人机一体化结合的智能机械装置，可以将人类的智力与机器人的“体力”有机结合在一起，可以扩展人体腿部的运动能力，增强肢体功能，可有效的帮助残弱者提供助力的效果，进一步实现他们自主生活的愿望。该机器人需要穿戴灵活、柔顺舒适、结构轻巧、便于调节等特点。单下肢助力外骨骼机器人应用领域十分广泛，在军事领域上，可以提高士兵的运动灵活性、机动性，大大提高越野作战能力；在医疗领域，可以帮助下肢无力或残疾患者进行康复训练及助力行走，减轻社会和家庭的压力，同时，智能助力机器人又可以作为一种新型环保交通工具，大大减少城市汽车流量，又可以达到锻炼身体的目的。

目前用于患者康复治疗及助力行走的外骨骼机器人，其结构比较笨重，体积较大，操作较为麻烦，智能效果很差，尤其其存在二次伤害的隐患不便于对单下肢受伤患者助力行走及康复治疗。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种可穿戴单下肢智能助力外骨骼，以解决现有外骨骼机器人存在二次伤害隐患的问题。

本发明提供一种可穿戴单下肢智能助力外骨骼的控制方法，以解决现有外骨骼机器人智能效果差的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种可穿戴单下肢智能助力外骨骼，包括动力组件、控制器以及依次连接的大腿支撑部、小腿支撑部和足底部；

所述大腿支撑部与所述小腿支撑部通过限位组件铰接连接，所述小腿支撑部与所述足底部通过碳纤维弹性板连接；

所述大腿支撑部上设置有大腿力传感器，所述大腿支撑部与所述小腿支撑部的连接位置的关节处设置有编码器，所述小腿支撑部上设置有小腿力传感器，所述足底部设置有足底力传感器；

所述控制器接收所述大腿力传感器、小腿力传感器、编码器以及足底力传感器采集的运动信息并根据该运动信息控制所述动力组件带动助力外骨骼运动。

进一步地，所述足底力传感器包括分别对应人体足部的第一拓骨根部和第五拓骨根部及后脚跟设置的第一拓骨根压力传感器、第五拓骨根压力传感器及后脚跟压力传感器。

进一步地，所述大腿支撑部为与人体大腿部后侧匹配的开口弧面型，所述小腿支撑部为人体小腿部后侧匹配的开口弧面型；

所述大腿支撑部的左、右侧边缘沿其长度方向分别固定有第一连接杆，所述小腿支撑部的左、右侧边缘沿其长度方向的上部固定有第二连接杆，同侧的所述第一连接杆与所述第二连接杆通过旋转轴铰接。

进一步地，所述第一连接杆为L型，所述第一连接杆的长边沿所述大腿支撑部的长度方向延伸，所述第一连接杆的短边面向大腿支撑部的后侧延伸；

所述第二连接杆为长条板状，所述旋转轴穿过所述述第二连接杆的上端板的宽平面与所述第一连接杆的短边将所述第一连接杆与所述第二连接杆铰接。

进一步地，所述编码器设置在旋转轴的一端，所述限位组件设置在所述旋转轴的另一端。

进一步地，所述限位组件为中心设置有圆孔的圆盘，所述圆盘上设置有两个限位凸耳，两限位凸耳之间相隔90度；

所述旋转轴穿过所述圆孔将所述限位组件固定。

进一步地，所述大腿支撑部的弧面型的左、右两侧分别对应设置有第一绑带夹；

所述小腿支撑部的弧面型的左、右两侧分别对应设置有第二绑带夹；

所述足底部为与人体脚底部以及脚跟部适配的槽型，所述足底部的槽型的两侧分别对应设置有第三绑带夹。

进一步地，所述动力组件为液压缸，所述液压缸的筒体端通过支撑架铰接固定在第一连接杆的上部，所述液压缸的杆部与第二连接杆的上部铰接。

进一步地，所述支撑架为开口向下的U型，所述支撑架的两侧边对齐设置有第一销轴孔，所述液压缸的筒体上端连接有挂杆，所述挂杆设置在所述支撑架的U型口的中间，且所述挂杆对应所述第一销轴孔上设置有第二销轴孔，第一销轴穿过所述第一销轴孔与所述第二销轴孔从而将所述液压缸铰接在所述支撑架上；所述支撑架与所述第一连接杆的上部固定连接；

所述液压缸的杆部的末端设置有开口槽；所述第二连接杆在旋转轴的下方连接有支撑杆，所述支撑杆为上端远离腿部弯折的条形板，所述支撑杆的上端设置在所述开口槽内，第二销轴穿过开口槽侧壁与所述支撑杆的上部；所述支撑杆与所述第二连接杆固定连接。

本发明还提供了一种可穿戴单下肢智能助力外骨骼的控制方法，包括上述所述的可穿戴单下肢智能助力外骨骼，具体控制方法为：控制器接收大腿力传感器、小腿力传感器、足部力传感器以及编码器采集的运动信息并根据运动信息向动力组件发送柔顺控制指令；

所述柔顺控制指令包括外骨骼主动、患者被动训练模式和患者主动、外骨骼被动训练模式，其中，所述外骨骼主动、患者被动训练模式是根据预先规划好的步态轨迹训练进行动作。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的可穿戴单下肢智能助力外骨骼的大腿支撑部与小腿支撑部通过限位组件铰接连接，限位组件限制膝盖部位的弯曲在合理范围内避免了人体在运动过程中造成二次伤害；同时在足底部与小腿支撑部之间选择碳纤维弹性板连接，该碳纤维弹性板可以储存一部分能量，在离地时可以释放一部分能量，可以起到省力的作用，同时也避免了足底在落地时与地面的刚性接触。

本发明提供的可穿戴单下肢智能助力外骨骼的控制方法可根据患者的腿部情况分两种模式进行控制，针对初期较严重的患者可以先采用外骨骼主动，患者被动训练模式，待患者恢复到一定程度后再采用患者主动，外骨骼被动训练模式，更加智能的为患者提供助力，有利于患者的恢复。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例可穿戴单下肢智能助力外骨骼的正面示意图；

图2是本发明实施例可穿戴单下肢智能助力外骨骼的背面示意图；

图3是本发明实施例可穿戴单下肢智能助力外骨骼的足部传感器的安装示意图；

图4是本发明实施例可穿戴下肢智能助力外骨骼限位组件侧的侧视图。

图中：1：大腿支撑部，11：大腿力传感器，12：第一绑带夹；2：小腿支撑部，12：小腿力传感器，22：第二绑带夹；3：足底部，31：足底力传感器，31a：第一拓骨根压力传感器，31b：第五拓骨根压力传感器。31c：后脚跟压力传感器，32：第三绑带夹，33：导线槽；4：限位组件；5：控制器；6：编码器；7：碳纤维弹性板；8：液压缸；81：支撑架。82：支撑杆；91：第一连接杆，92：第二连接杆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

实施例1

如图1、2所示，本发明实施例提供的可穿戴单下肢智能助力外骨骼，包括动力组件、控制器5以及依次连接的大腿支撑部1、小腿支撑部2和足底部3。

如图1所示，所述大腿支撑部1与所述小腿支撑部2通过限位组件4铰接连接，所述小腿支撑部2与所述足底部3通过碳纤维弹性板7连接。所述大腿支撑部1的支撑位置上设置有大腿力传感器11，所述大腿支撑部1与所述小腿支撑部2的连接位置的膝关节转动处处设置有编码器6，所述小腿支撑部2的支撑位置上设置有小腿力传感器21，所述足底部3设置有足底力传感器31。

所述控制器5设置在小腿的背部上，其接收所述大腿力传感器11、小腿力传感器21、编码器6以及足底力传感器31采集的运动信息并根据该运动信息控制所述动力组件带动助力外骨骼运动。

其中，限位组件4是考虑到膝关节的弯曲角度，避免对人体在运动过程中造成二次伤害而设置；在足底部3与小腿支撑部2的连接选择碳纤维弹性板7，该装置可以储存一部分能量，在离地时可以释放一部分能量，可以起到省力的作用，同时也避免了足底在落地时与地面的刚性接触。

可以理解的是，传感器作为外界环境对助力外骨骼的输入接口，负责采集各种环境信息和运动信息，本实施例可穿戴单下肢智能助力外骨骼的编码器6为在膝关节处的电机编码器，用于获取人体的运动信息为控制系统提供反馈；在大腿及小腿支撑内侧放置的二维力传感器，可以检测患者于外骨骼之间的交互力，用于测量人体的运动信息，是可穿戴单下肢智能助力外骨骼的控制器的控制信号的输入端；在足底处放置的足底力传感器31，用于测量助力外骨骼运动过程中的脚底压力，该部分信息主要用于步态规划，也即通过足底处放置的足底力传感器31可以用于获取人体运动步态信息。其中，该足部力传感器可采用的是一维力传感器，编码器7可采用的是光电传感器。

如图1和2所示，本实施例可穿戴单下肢智能助力外骨骼所述大腿支撑部1为与人体大腿部后侧匹配的开口弧面型，所述小腿支撑部2为人体小腿部后侧匹配的开口弧面型；所述足底部3为与人体脚底部以及后跟部适配的槽型。其中，为了方便与人腿部固定，所述大腿支撑部1的弧面型的左、右两侧分别对应设置有第一绑带夹12；所述小腿支撑部2的弧面型的左、右两侧分别对应设置有第二绑带夹22；所述足底部3的槽型的两侧分别对应设置有第三绑带夹32。

可以理解的是，采用腿部结构采用开口弧面型、足部结构采用槽型，其一方面方便了患者穿戴，同时也减轻了整体装置的重量，减轻了患者由于佩戴助力外骨骼而带来的负重。

作为在一中大腿支撑部与小腿支撑部的具体连接方式，所述大腿支撑部1的弧面型的左、右侧边缘沿其长度方向分别固定有第一连接杆91，所述小腿支撑部2的弧面型的左、右侧边缘沿其长度方向的上部固定有第二连接杆92，同侧的所述第一连接杆91与所述第二连接杆92通过旋转轴铰接。具体而言，所述第一连接杆91为L型，所述第一连接杆91的长边沿所述大腿支撑部1的长度方向延伸，所述第一连接杆91的短边面向大腿支撑部1的后侧延伸，所述第二连接杆92为长条板状，所述旋转轴穿过所述述第二连接杆92的上端板的宽平面与所述第一连接91杆的短边。

作为一个可选实施例，如图4所示，所述限位组件4为中心设置有圆孔的圆盘，所述圆盘上设置有两个限位凸耳，两限位凸耳之间相隔90度；所述旋转轴穿过所述圆孔将所述限位组件固定。如图1和2所示，所述编码器7与所述限位组件4可分别设置在旋转轴两端上。

作为一个优选方案，所述动力组件为液压缸8，所述液压缸8的筒体端通过支撑架81铰接固定在第一连接杆的上部，所述液压缸的杆部与所述第二连接杆的上部通过支撑杆82铰接。具体液压缸的铰接方式可为：所述支撑架81为开口向下的U型，所述U型的两侧边对齐设置有第一销轴孔，所述液压缸8的筒体上端连接有挂杆，所述挂杆设置在所述支撑架81的了U型口的中间，且所述挂杆对应所述第一销轴孔上设置有第二销轴孔，第一销轴穿过所述第一销轴孔与所述第二销轴孔从而将所述液压缸8铰接在所述支撑架81上；所述支撑架81的一个侧面与所述第一连接杆的上部通过螺钉固定连接。所述液压缸8的杆部的末端设置有开口槽；所述第二连接杆在旋转轴的下方连接有支撑杆82，所述支撑杆82为上端远离腿部弯折的条形板，所述支撑杆82的上端设置在所述开口槽内，第二销轴穿过开口槽侧壁与所述支撑杆82的上部将所述支撑杆与所述液压缸8的杆部铰接；所述支撑杆82的下端与所述第二连接杆通过螺钉固定连接。

可以理解的是，动力组件采用液压驱动，液压缸体积小，质量轻，并且可以提供较大的力矩。

为了更好的反应人体运动过程中人-机交互信息及步态信息，传感器的安装位置非常关键，考虑到人体运动的舒适性和准确获取交互力信息的大小，将腿部力传感器安装在距离关节旋转轴相对远点的距离，也即最能感应腿部受力的问题；同时为了更好的反应人体运动步态，则要求传感器能够获取最能够反映过程信息，参考人体足部解刨学，脚底最大反作用力分别发生在第一拓骨根部和第五拓骨根部及后脚跟，所以所述足底力传感器31包括分别对应人体足部的第一拓骨根部和第五拓骨根部及后脚跟设置的第一拓骨根压力传感器31a、第五拓骨根压力传感器31b及后脚跟压力传感器31c。图3中标号33是导线槽。

本实施例可穿戴单下肢智能助力外骨骼设计的目的是为使用者提供步行动力支持，在理想情况下，穿助力外骨骼通过多传感器对穿戴者的运动意图做出正确的“预测”，实时改变外骨骼的运动状态并对驱动关节提供力矩补偿，保证在患者进行穿戴运动中，既能正确的预测运动意图，又能达到机器人与人体柔顺运动的要求，使整个训练过程保证患者的安全性和舒适性。

综上所述，本实施例可穿戴单下肢智能助力外骨骼采用人机工程学技术，使其设计的结构更美观，更加符合人体构造，使患者穿戴佩戴更加牢固、更加舒适自然；同时采用多信息传感器融合技术，更加体现了人机智能结合、人-机交互的特点。更加智能、新颖、舒适、自然。

实施例2

本发明实施例提供一种实施例1的可穿戴单下肢智能助力外骨骼的控制方法。

具体控制方法为：控制器接收大腿力传感器、小腿力传感器、足部力传感器以及编码器采集的运动信息并根据运动信息向动力组件发送柔顺控制指令。

其中，所述柔顺控制指令包括外骨骼主动、患者被动训练模式和患者主动、外骨骼被动训练模式，其中，所述外骨骼主动、患者被动训练模式是根据预先规划好的步态轨迹训练进行动作。

可以理解的是，本实施例可穿戴单下肢智能助力外骨骼的控制方法的选择主动柔顺控制方法，用多传感器和编码器对人体信息进行融合、感知，采集外界相关运动信息，其不限于机械结构信息的采集，也可以包括地面信息、人体信息，并将采集到的运动信息实时反馈到控制器的控制系统上，执行部分将控制系统发送的控制信息通过液压缸转化为动力，带动外骨骼运动。

本实施例可穿戴单下肢智能助力外骨骼的控制方法的柔顺控制的主要控制目标是控制外骨骼和患者之间的交互力维持在一个合理的范围，避免过大的牵引力对患者腿部造成二次伤害。

本实施例可穿戴单下肢智能助力外骨骼的两种控制助力模式可以的具体应用过程为如下。首先采用外骨骼主动，患者被动训练模式，外骨骼带动患者的患肢进行预先规划好的步态轨迹训练，经过一段合理较长时间的康复训练，由康复评价系统对患者的康复训练做出客观合理评价，确定患者的关节角度恢复到正常人的角度和患者腿部的肌肉力量具有一定程度的恢复。再进入患者主动，外骨骼被动训练模式，此阶段主要是恢复膝关节主动运动能力，不断增强患者腿部的肌肉力量，在此阶段患者主动施力，但是不能完全带动机器人运动，外骨骼需要提供部分辅助力辅助患者进行运动，由于患者腿部与外骨骼之间运动速度的不匹配，外骨骼与患者之间会产生一定大小的作用力，需要将此作用力维持患者可以接受的范围内，。外骨骼为患者提供助力，要控制下肢外骨骼机器人和患者腿部之间交互力的大小，实现二者之间的柔顺运动，不能给患者带俩二次伤害，要实时监测患者的运动意图。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可穿戴单下肢智能助力外骨骼，其特征在于：包括动力组件、控制器以及依次连接的大腿支撑部、小腿支撑部和足底部；

所述大腿支撑部与所述小腿支撑部通过限位组件铰接连接，所述小腿支撑部与所述足底部通过碳纤维弹性板连接；

所述大腿支撑部上设置有大腿力传感器，所述大腿支撑部与所述小腿支撑部的连接位置的关节处设置有编码器，所述小腿支撑部上设置有小腿力传感器，所述足底部设置有足底力传感器；

所述控制器接收所述大腿力传感器、小腿力传感器、编码器以及足底力传感器采集的运动信息并根据该运动信息控制所述动力组件带动助力外骨骼运动。

2.根据权利要求1所述的可穿戴单下肢智能助力外骨骼，其特征在于：所述足底力传感器包括分别对应人体足部的第一拓骨根部和第五拓骨根部及后脚跟设置的第一拓骨根压力传感器、第五拓骨根压力传感器及后脚跟压力传感器。

3.根据权利要求1所述的可穿戴单下肢智能助力外骨骼，其特征在于：所述大腿支撑部为与人体大腿部后侧匹配的开口弧面型，所述小腿支撑部为人体小腿部后侧匹配的开口弧面型；

所述大腿支撑部的左、右侧边缘沿其长度方向分别固定有第一连接杆，所述小腿支撑部的左、右侧边缘沿其长度方向的上部固定有第二连接杆，同侧的所述第一连接杆与所述第二连接杆通过旋转轴铰接。

4.根据权利要求3所述的可穿戴单下肢智能助力外骨骼，其特征在于：所述第一连接杆为L型，所述第一连接杆的长边沿所述大腿支撑部的长度方向延伸，所述第一连接杆的短边面向大腿支撑部的后侧延伸；

所述第二连接杆为长条板状，所述旋转轴穿过所述述第二连接杆的上端板的宽平面与所述第一连接杆的短边将所述第一连接杆与所述第二连接杆铰接。

5.根据权利要求3所述的可穿戴单下肢智能助力外骨骼，其特征在于：所述编码器设置在旋转轴的一端，所述限位组件设置在所述旋转轴的另一端。

6.根据权利要求5所述的可穿戴单下肢智能助力外骨骼，其特征在于：所述限位组件为中心设置有圆孔的圆盘，所述圆盘上设置有两个限位凸耳，两限位凸耳之间相隔90度；

所述旋转轴穿过所述圆孔将所述限位组件固定。

7.根据权利要求3所述的可穿戴单下肢智能助力外骨骼，其特征在于：所述大腿支撑部的弧面型的左、右两侧分别对应设置有第一绑带夹；

所述小腿支撑部的弧面型的左、右两侧分别对应设置有第二绑带夹；

所述足底部为与人体脚底部以及脚跟部适配的槽型，所述足底部的槽型的两侧分别对应设置有第三绑带夹。

8.根据权利要求1-7任一项所述的可穿戴单下肢智能助力外骨骼，其特征在于：所述动力组件为液压缸，所述液压缸的筒体端通过支撑架铰接固定在第一连接杆的上部，所述液压缸的杆部与第二连接杆的上部铰接。

9.根据权利要求8所述的可穿戴单下肢智能助力外骨骼，其特征在于：所述支撑架为开口向下的U型，所述支撑架的两侧边对齐设置有第一销轴孔，所述液压缸的筒体上端连接有挂杆，所述挂杆设置在所述支撑架的U型口的中间，且所述挂杆对应所述第一销轴孔上设置有第二销轴孔，第一销轴穿过所述第一销轴孔与所述第二销轴孔从而将所述液压缸铰接在所述支撑架上；所述支撑架与所述第一连接杆的上部固定连接；

所述液压缸的杆部的末端设置有开口槽；所述第二连接杆在旋转轴的下方连接有支撑杆，所述支撑杆为上端远离腿部弯折的条形板，所述支撑杆的上端设置在所述开口槽内，第二销轴穿过开口槽侧壁与所述支撑杆的上部；所述支撑杆与所述第二连接杆固定连接。

10.一种可穿戴单下肢智能助力外骨骼的控制方法，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项所述的可穿戴单下肢智能助力外骨骼，具体控制方法为：控制器接收大腿力传感器、小腿力传感器、足部力传感器以及编码器采集的运动信息并根据运动信息向动力组件发送柔顺控制指令；

所述柔顺控制指令包括外骨骼主动、患者被动训练模式和患者主动、外骨骼被动训练模式，其中，所述外骨骼主动、患者被动训练模式是根据预先规划好的步态轨迹训练进行动作。