CN108555890A - 一种可穿戴体重支撑型步行辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴体重支撑型步行辅助装置，通过添加座椅与鞋子部分，更利于装置的穿戴与固定，同时位于两腿之间的结构设计既可以减少空间占用又可方便行走；利用电机驱动齿轮，带动腿部连杆的弯曲与伸展，进而抬起座椅使其支撑部分体重，减轻行走时腿部肌肉与关节的负担；通过在小腿连杆内部安装Teflon绳与弹簧装置，提供步行时胫骨外伸的辅助力，提高行走效率；利用陀螺仪与足底力传感器获取的人体运动与物理参数，检测使用者的运动意图，达到自然行走的效果；此外，利用嵌入式控制系统与手机之间建立通讯连接，更好的实现人机交互与对机器人的实时控制；本发明能够很好的应用于可穿戴步行辅助装置，减小行走时的能耗，提高舒适性，具有极大的应用价值。

Description

一种可穿戴体重支撑型步行辅助装置

技术领域

本发明涉及一种下肢外骨骼机器人，尤其涉及一种可穿戴体重支撑型步行辅助装置。

背景技术

可穿戴下肢助力机器人是一种可以辅助人完成行走、坐立、下蹲起立等多种运动的人机一体化装置，通常可以通过使用手杖、拐杖、助力器等手动器械来实现。但是这些手动器械的使用都要依赖手臂的力量。然而手臂的力量过小，减重助力的效果不明显，也很容易使手臂疲劳。另外，使用这些手动器械时，手臂因被占用而不能做其它工作，也会带来生活上的诸多不便。对于重症骨关节炎患者往往选择乘坐轮椅外出。然而使用轮椅难以通过有台阶或不平整的路况，并且坐轮椅时，腿部长时间得不到应有的锻炼，容易引发“废用综合症”,导致腿部血液循环不畅、肌肉萎缩等现象，使健康状况更加恶化。医学实践表明，最理想的方法是如水中步行，关节在低负荷下经常运动，既可减小关节疼痛和磨损,也能避免“废用综合症”，产生物理康复医疗的作用。然而水中步行训练对于大多数患者来说，很难具备这样的条件与设施。因此目前尚没有一个的装置能解决日常生活中需要的面向室内和户外的减重步行助力问题。

面对急切的社会需求、庞大的社会群体，国内外学术机构针对减重步行助力机器的研究还不太成熟，市场上也缺乏功能先进的产品，因此研发新型减重步行助力机器，解决老年人行走困难的问题，具有重要的社会意义和广阔的市场前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种可穿戴体重支撑型步行辅助装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的可穿戴体重支撑型步行辅助装置，其较佳的具体实施方式是：

包括座垫、轨道组件、控制装置、大腿外壳、小腿组件、小腿外壳、工型连杆、转动组件、鞋子、足底力传感器、连接架、Teflon绳、电池、编码器、电机、陀螺仪、弹簧组、滑轮、齿轮、大腿连杆、Kvaser、驱动器、旋转轴、旋钮手柄、膝关节弹簧、滑块；

所述轨道组件通过所述弹簧组连接于所述座垫下端，所述大腿连杆上端通过所述齿轮与轨道组件啮合，所述滑轮通过螺栓连接固定于所述轨道组件上；

所述大腿外壳通过螺栓连接固定于所述大腿连杆上，所述电池与所述控制装置分别安装于所述大腿外壳上；

所述大腿连杆下端与所述小腿组件通过所述Teflon绳连接；

所述小腿外壳通过螺栓连接固定于所述小腿组件上，所述小腿外壳下端通过所述工型连杆与所述连接架固定连接；

所述连接架通过所述转动组件与所述鞋子连接，所述鞋子的鞋底装有足底力传感器。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的可穿戴体重支撑型步行辅助装置，设计通过添加座椅与鞋子部分，更利于装置的穿戴与固定，同时位于两腿之间的结构设计既可以减少空间占用又可方便行走；设计利用电机驱动齿轮，带动腿部连杆的弯曲与伸展，进而抬起座椅使其支撑部分体重，减轻行走时腿部肌肉与关节的负担；设计通过在小腿连杆内部安装Teflon绳与弹簧装置，提供步行时胫骨外伸的辅助力，提高行走效率；设计利用陀螺仪与足底力传感器获取的人体运动与物理参数，检测使用者的运动意图，达到自然行走的效果；此外，设计利用嵌入式控制系统与手机之间建立通讯连接，更好的实现人机交互与对机器人的实时控制；本发明能够很好的应用于可穿戴步行辅助装置，减小行走时的能耗，提高舒适性，具有极大的应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的可穿戴体重支撑型步行辅助装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的轴测图；

图3为本发明实施例的座垫组件局部图；

图4为本发明实施例的大腿组件局部图；

图5为本发明实施例的腿部组件局部图；

图6为本发明实施例的小腿组件局部图；

图7为本发明实施例的膝关节被动助力工作原理图；

图8为本发明实施例的基于关节角度误差的机器人运动控制框图；

图9为本发明实施例的膝关节限位装置结构图；

图10为本发明实施例的上位机运行原理图；

图11为本发明实施例的下位机运行原理图。

图中，1为座垫、2为轨道组件、3为控制装置、4为大腿外壳、5为小腿组件、6为小腿外壳、7为工型连杆、8为转动组件、9为鞋子、10为足底力传感器、11为连接架、12为Teflon绳、13为电池、14为编码器、15为电机、16为陀螺仪、17为弹簧组、18为滑轮、19为齿轮、20为大腿连杆、21为Kvaser、22为驱动器、23为旋转轴、24为旋钮手柄、25为膝关节弹簧、26为滑块。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的可穿戴体重支撑型步行辅助装置，其较佳的具体实施方式是：

包括座垫、轨道组件、控制装置、大腿外壳、小腿组件、小腿外壳、工型连杆、转动组件、鞋子、足底力传感器、连接架、Teflon绳、电池、编码器、电机、陀螺仪、弹簧组、滑轮、齿轮、大腿连杆、Kvaser、驱动器、旋转轴、旋钮手柄、膝关节弹簧、滑块；

所述轨道组件通过所述弹簧组连接于所述座垫下端，所述大腿连杆上端通过所述齿轮与轨道组件啮合，所述滑轮通过螺栓连接固定于所述轨道组件上；

所述大腿外壳通过螺栓连接固定于所述大腿连杆上，所述电池与所述控制装置分别安装于所述大腿外壳上；

所述大腿连杆下端与所述小腿组件通过所述Teflon绳连接；

所述小腿外壳通过螺栓连接固定于所述小腿组件上，所述小腿外壳下端通过所述工型连杆与所述连接架固定连接；

所述连接架通过所述转动组件与所述鞋子连接，所述鞋子的鞋底装有足底力传感器。

所述陀螺仪固定于所述座垫后端的中间位置。

所述小腿组件包括所述膝关节弹簧、旋转轴，所述膝关节弹簧位于所述小腿组件与所述滑块之间，所述Teflon绳穿过所述膝关节弹簧内部，并通过绳槽固定，其两端分别固定在所述滑块和大腿连杆上。

所述转动组件包括角接触球轴承、轴承端盖。

所述编码器安装于所述电机旋转轴上，所述电机的外圈与所述大腿连杆固定，内圈与所述齿轮固定。

所述大腿连杆和所述小腿组件均包括滑动配合的内矩形实体硬铝杆、外矩形硬铝空管，所述内矩形实体硬铝杆与外矩形硬铝空管之间设有旋钮手柄。

所述小腿组件上端的偏心轮轮廓是包括两个直径不同的同心圆用样条曲线平滑交叉；

所述小腿组件与大腿连杆的转动中心偏移，同时在所述小腿组件上端设置限制块。

所述控制装置是一种包括上位机和下位机的嵌入式控制系统，所述上位机与下位机通过WiFI通讯连接。

所述上位机包括手机，所述下位机包括控制板。

本发明的可穿戴体重支撑型步行辅助装置，设计通过添加座椅与鞋子部分，更利于装置的穿戴与固定，同时位于两腿之间的结构设计既可以减少空间占用又可方便行走；设计利用电机驱动齿轮，带动腿部连杆的弯曲与伸展，进而抬起座椅使其支撑部分体重，减轻行走时腿部肌肉与关节的负担；设计通过在小腿连杆内部安装Teflon绳与弹簧装置，提供步行时胫骨外伸的辅助力，提高行走效率；设计利用陀螺仪与足底力传感器获取的人体运动与物理参数，检测使用者的运动意图，达到自然行走的效果；此外，设计利用嵌入式控制系统与手机之间建立通讯连接，更好的实现人机交互与对机器人的实时控制；本发明能够很好的应用于可穿戴步行辅助装置，减小行走时的能耗，提高舒适性，具有极大的应用价值。

本发明的优点与积极效果为：

1、本发明小腿组件内部安装弹簧，同时Teflon绳弹簧内部。利用腿弯曲时压缩膝关节弹簧储存能量，在腿伸长时，释放储存在弹簧内部的能量并产生辅助扭矩以使胫骨外伸。

2、本发明利用足底力传感器与陀螺仪实时获取人体物理与运动参数，检测使用者的意图，将期望转角，送入控制装置进行轨迹规划，从而调整电机输出力矩大小。

3、本发明基于关节角度误差控制，利用编码器测得的实际转角与期望转角之间的误差，调整电机输出转矩，规划最佳的运动轨迹，带动大小腿连杆弯曲与伸展，抬起座垫使其支撑一部分的体重，从而达到减轻步行时腿部肌肉和关节负担的效果。

4、本发明通过安装在两腿之间的结构设计，既减少空间占用又可以方便行走大腿、小腿杆件均采用内矩形实体硬铝杆与外矩形硬铝空管滑动配合，与添加旋钮手柄，实现大腿、小腿杆件伸缩尺寸的调节与内外杆件的紧密配合。

5、本发明的控制装置是一种嵌入式控制系统，上位机为客户端，下位机为服务器端。该控制系统耗能低、可靠性高、功能强大、实时性强、占用空间小。

具体实施例：

如图1所示：包括座垫1、轨道组件2、控制装置3、大腿外壳4、小腿组件5、小腿外壳6、工型连杆7、转动组件8、鞋子9、足底力传感器10、连接架11、Teflon绳12、电池13、编码器14、电机15、陀螺仪16、弹簧组17、滑轮18、齿轮19、大腿连杆20、Kvaser21、驱动器22、旋转轴23、旋钮手柄24、膝关节弹簧25、滑块26。轨道组件2通过弹簧组17连接于座垫1下端，大腿连杆20上端通过安装齿轮19，与轨道组件2啮合，滑轮18通过螺栓连接固定于轨道2上，便于大腿连杆20相对座垫1的转动，减少两者之间的摩擦。大腿外壳4通过螺栓连接固定于大腿连杆20上，电池13与控制装置3分别安装于大腿外壳4上。大腿连杆20下端与小腿组件5通过Teflon绳12连接。小腿外壳6通过螺栓连接固定于小腿组件5上，小腿外壳6下端通过工型连杆7与连接架11固定连接。连接架11通过转动组件8与鞋子9连接，鞋底装有足底力传感器10，用于测量足底压力。

如图1、2所示：陀螺仪16固定于座垫1后端的中间位置。通过利用陀螺仪16获取的人体运动参数与足底力传感器10测得的足底压力，检测使用者的意图，从而调整装置的期望轨迹。

如图1、5、6所示：小腿组件5包括了Teflon绳12、膝关节弹簧25、滑块26、旋转轴23，膝关节弹簧25位于小腿组件5与滑块26之间，Teflon绳12穿过膝关节弹簧25内部，它通过绳槽固定，其两端分别滑块26与大腿连杆20上。当腿弯曲时，大腿连杆20和小腿组件5相对于旋转轴23转动，由于Teflon绳12的总长度保持不变，小腿组件5内部的Teflon绳12收缩，带动滑块26压缩膝关节弹簧25，最终使得该装置在腿弯曲时储存能量。在腿伸长时，膝关节弹簧25恢复形变，将Teflon绳12拉回小腿组件5内，并产生辅助扭矩以使胫骨外伸。

在腿伸长时，膝关节弹簧25将Teflon绳12拉回大腿连杆20内，并产生辅助扭矩以使胫骨外伸。辅助力矩T_a由弹簧力F_s和力杠杆h确定，其中力杠杆是偏心曲线的旋转轴中心与切线之间的距离，如图7a中所示。对于无动力助膝装置来说，平直行走效率最低，提升运动效率最高，辅助力矩T_a必须是膝关节屈膝角θ的非线性函数。随着θ的增加，函数单调增加。当θ＜60°时，力杠杆h保持非线性增长，而当θ＞60°时，力杠杆h保持在50mm左右的水平。利用非线性弹簧Δs或力杠杆h随θ的变化非线性地改变弹簧的变形Δs或力杠杆h的变形，可以得到非线性的辅助力矩函数。

力杠杆h可以通过偏心轮廓在弦的接触点处的切线(例如图7a中的B点)来计算。在笛卡尔坐标中，从旋转中心(x₀,y₀)到切线Ax+Bx+Cx＝0的距离公式可得到如下公式：

F_s＝k(Δs(θ)+s₀)

T_a(λ)＝F_s·h＝k(Δs(θ)+s₀)·h(θ)

利用非线性弹簧Δs来获得期望的辅助力矩，会增加设计和制造的难度。而通过改变力杠杆h和延伸量s_d，只需要使滑轮轮廓半径R_k成为一个偏心滑轮，随着膝关节屈曲角度θ的变化。该结构利用偏心滑轮来实现非线性膝关节辅助，简单可靠且便于对不同助膝装置的力学特性进行修正。

然而当滑轮轮廓曲线变得偏心时，滑轮轮廓任意点的曲率中心不一定与膝关节的旋转中心相匹配。因此，一个边缘点与旋转中心之间的距离R_k不一定等于与该边缘点相交的切线与旋转中心之间的距离h，如图7b所示。偏心滑轮的几何形状可以由等高线的夹角α和轮廓半径R_k来确定。然而，为了使推导具有实际意义，在推导延伸量s_d或力杠杆h时，应将膝关节腿屈曲角θ作为自变量。

如图1所示：转动组件8包括角接触球轴承、轴承端盖，保证鞋子9与连接架11发生转动的同时不发生相对移动。轴承端盖既可以保证角接触球轴承不在转动时脱落，又可以防止灰尘进入踝关节转动副。

如图1、3所示：轨道组件2通过弹簧组17连接于座垫1下端，利用弹簧组17的自恢复能力设计的平衡机构，当人体步行需要小范围转向时，可以实现迈开双腿，调整方向后自动恢复直线行走。

如图1、4、5所示：编码器14安装于电机15旋转轴上，电机15的外圈与大腿连杆20固定，内圈与齿轮19固定。编码器14用于读取实际转角，与期望转角求取误差，用于反馈控制，生成期望轨迹。驱动器22通过Kavser21与控制装置3建立can通信协议连接，控制装置给驱动器发送指令，驱动电机15转动从而带动齿轮19转动，进而带动大腿连杆20相对于轨道组件2相对运动，实现连杆的弯曲与伸展，抬起座椅使其支撑一部分的体重，即可达到减轻腿部肌肉和关节负担的效果。如图8所示为装置的控制原理框图，基于人体运动意图的识别生成期望关节角度，与实际关节角度求取误差，再根据误差进行轨迹规划，控制装置运动。

如图1、2所示：大腿连杆20与小腿组件5均采用内矩形实体硬铝杆与外矩形硬铝空管滑动配合实现杆件伸缩尺寸的调节。再通过旋钮手柄24，实现内外杆件紧密配合。同时，为减轻结构的重量，在保证强度的情况下，将内外杆件的尺寸调小，且在内杆上尽可能多的布置插销孔，增大装置尺寸的可调范围。

如图1所示：该装置使用采用并联机构具有刚度大、承载能力大的特点，而且它还能围绕着腿和脚之间进行布置，能够充分地利用腿部周围得有限空间进行布置结构，适合用于步行助力。该装置只需穿上鞋子7，抬起座垫15即可开始工作，即使不需腰带固定在身体上，便可达到辅助行走的效果。

如图1、9所示：小腿组件5上端的偏心轮轮廓是基于两个直径不同的同心圆，并用样条曲线平滑交叉。小腿组件5和大腿连杆20的转动中心偏移，同时在小腿组件5上端设置限制块。当外骨骼处于直立位置时，小腿和大腿外圈的限制块相互接触从而避免膝关节向前弯曲，损坏人体膝关节。

如图1、10、11所示：控制装置3是一种包括上位机和下位机的嵌入式控制系统，上位机(手机)与下位机(控制板)通过WiFI进行通讯，在通讯时，上位机为客户端，下位机为服务器端。操作者通过上位机发送目标指令给下位机，下位机则根据上位机所发过来的信息来对机器人进行实时控制，并将机器人所传回来的相关状态发给上位机，最终展示给操纵者。同时，上位机还可以显示当前机器人系统的实时运行状态和各项信息(位置、速度等)，当出现错误的时候也可以实时发出警报。

下位机通过TTL转can的通信模块实现与驱动器的通信，传输模式为包模式，串口处为固定16byte，有效数据长度为8byte，数据不足补0。下位机在给Elmo不停发送控制指令的同时，也在不停询问Elmo当前电机的速度和位置信息，因此下位机也在不停的接收者Elmo的返回数据。又由于返回的数据会有可能存在不完整的，因此需要对返回回来的数据进行甄别。判断条件是一个完成的数据会有个有效的数据头0xAA并且是16位的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种可穿戴体重支撑型步行辅助装置，其特征在于：包括座垫(1)、轨道组件(2)、控制装置(3)、大腿外壳(4)、小腿组件(5)、小腿外壳(6)、工型连杆(7)、转动组件(8)、鞋子(9)、足底力传感器(10)、连接架(11)、Teflon绳(12)、电池(13)、编码器(14)、电机(15)、陀螺仪(16)、弹簧组(17)、滑轮(18)、齿轮(19)、大腿连杆(20)、Kvaser(21)、驱动器(22)、旋转轴(23)、旋钮手柄(24)、膝关节弹簧(25)、滑块(26)；

所述轨道组件(2)通过所述弹簧组(17)连接于所述座垫(1)下端，所述大腿连杆(20)上端通过所述齿轮(19)与轨道组件(2)啮合，所述滑轮(18)通过螺栓连接固定于所述轨道组件(2)上；

所述大腿外壳(4)通过螺栓连接固定于所述大腿连杆(20)上，所述电池(13)与所述控制装置(3)分别安装于所述大腿外壳(4)上；

所述大腿连杆(20)下端与所述小腿组件(5)通过所述Teflon绳(12)连接；

所述小腿外壳(6)通过螺栓连接固定于所述小腿组件(5)上，所述小腿外壳(6)下端通过所述工型连杆(7)与所述连接架(11)固定连接；

所述连接架(11)通过所述转动组件(8)与所述鞋子(9)连接，所述鞋子(9)的鞋底装有足底力传感器(10)。

2.根据权利要求1所述的可穿戴体重支撑型步行辅助装置，其特征在于：所述陀螺仪(16)固定于所述座垫(1)后端的中间位置。

3.根据权利要求2所述的可穿戴体重支撑型步行辅助装置，其特征在于：所述小腿组件(5)包括所述膝关节弹簧(25)、旋转轴(23)，所述膝关节弹簧(25)位于所述小腿组件(5)与所述滑块(26)之间，所述Teflon绳(12)穿过所述膝关节弹簧(25)内部，并通过绳槽固定，其两端分别固定在所述滑块(26)和大腿连杆(20)上。

4.根据权利要求3所述的可穿戴体重支撑型步行辅助装置，其特征在于：所述转动组件(8)包括角接触球轴承、轴承端盖。

5.根据权利要求4所述的可穿戴体重支撑型步行辅助装置，其特征在于：所述编码器(14)安装于所述电机(15)旋转轴上，所述电机(15)的外圈与所述大腿连杆(20)固定，内圈与所述齿轮(19)固定。

6.根据权利要求5所述的可穿戴体重支撑型步行辅助装置，其特征在于：所述大腿连杆(20)和所述小腿组件(5)均包括滑动配合的内矩形实体硬铝杆、外矩形硬铝空管，所述内矩形实体硬铝杆与外矩形硬铝空管之间设有旋钮手柄(24)。

7.根据权利要求6所述的可穿戴体重支撑型步行辅助装置，其特征在于：所述小腿组件(5)上端的偏心轮轮廓是包括两个直径不同的同心圆用样条曲线平滑交叉；

所述小腿组件(5)与大腿连杆(20)的转动中心偏移，同时在所述小腿组件(5)上端设置限制块。

8.根据权利要求1至7任一项所述的可穿戴体重支撑型步行辅助装置，其特征在于：所述控制装置(3)是一种包括上位机和下位机的嵌入式控制系统，所述上位机与下位机通过WiFI通讯连接。

9.根据权利要求8所述的可穿戴体重支撑型步行辅助装置，其特征在于：所述上位机包括手机，所述下位机包括控制板。