CN109044732A - 一种可穿戴膝关节智能助力装置及其助力方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴膝关节智能助力装置及其助力方法。所述智能助力装置中设置有可折叠气囊，可穿戴膝关节智能助力装置通过可折叠气囊的充放气，调节可折叠气囊的内部气压，以改变可折叠气囊的刚度，从而为膝关节的弯曲和伸展运动提供实时辅助。本发明的可折叠气囊安装在膝关节的腘窝处，与膝关节的贴合度好，结构简单，制作成本低；整体为柔性，大大提高了人体与助力装置交互的安全性和舒适性；所述助力方法在不影响人体自然运动的前提下，通过可折叠气囊自身的刚度调节辅助膝关节活动。

Description

一种可穿戴膝关节智能助力装置及其助力方法

【技术领域】

本发明属于可穿戴外骨骼领域，具体涉及一种可穿戴膝关节智能助力装置及其助力方法。

【背景技术】

随着机器人相关技术的进步，服务于人体运动性能增强、残疾人运动辅助及肌肉神经疾病患者康复治疗的外骨骼机器人得到了大力发展，但专门针对膝关节的可穿戴助力装置还比较少见。膝关节作为人体下肢运动的关键部位，在运动过程中扮演着重要角色且极易受到损伤，开发一款专门针对膝关节的可穿戴智能助力装置非常有必要。

目前也有部分学者研究膝关节助力装置，但还处于理论研究及样机初步验证阶段，普遍存在以下几个问题：(1)耗能量大，需要大容量电池或其他沉重的能量供应源；(2)大多为刚性结构，结构笨重，与膝关节转动轴重合度低；(3)限制了膝关节的正常运动范围，会影响穿戴者正常步态，长期穿戴还可能会给用户带来安全隐患；(4)制作过程复杂，成本高，不利于大范围推广；(5)控制策略过于单一，只适应于某种特定的运动形式。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种可穿戴膝关节智能助力装置及其助力方法。该助力装置在不影响人体自然运动的前提下，通过调节自身的刚度辅助膝关节运动，节约了外部能源供应。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种可穿戴膝关节智能助力装置，包括可折叠气囊、气动系统和控制系统，气动系统接收控制系统信号，对可折叠气囊进行充、放气；可折叠气囊由若干个单独的气囊次连接组成，所有气囊的底端串联成一体；可折叠气囊内充满气体展开时呈扇形状，未充入气体时呈折叠状；可折叠气囊用于安装在腘窝处辅助膝关节运动。

本发明的进一步改进在于：

优选的，可折叠气囊通过弹性外包裹安装在腘窝处，弹性外包裹套装在膝关节上；弹性外包裹的上部与下部分别固定有一个弹力带，两个弹力带均用于捆绑在下肢上。

优选的，可折叠气囊选用弹性材料。

优选的，气动系统包括供气装置和气体管道；气体管道的一端和供气装置的气体输出端连接，另一端和可折叠气囊的气体输送端口连接。

优选的，气体管道上设置有电控阀门，用于控制气体管道内气体的通断、气压和流量；供气装置由电池提供电能。

优选的，所述控制系统包括：

传感系统：用于识别并采集用户运动过程中的地面反作用力、可折叠气囊与膝关节之间的作用力、膝关节角度、心率信息及体温信息，可折叠气囊内的气压信息，并传递至接收模块；

接收模块，用于接收传感系统传递的所有信息并传输至滤波模块；

滤波模块，用于降噪处理输入的信息，将降噪处理后的信息传输至处理器；

处理器，用于进行数据比对与计算，并下达充放气指令；处理器内部存储有用户正常运动过程中膝关节的角度以及地面反作用力标准变化曲线；将某时刻膝关节角度和地面反作用力分别与各自的标准变化曲线比对，通过人体逆动力学算法计算出某时刻膝关节需要的辅助力矩值，将辅助力矩值转换为可折叠气囊的输出力矩；将可折叠气囊输出力矩转换为可折叠气囊的气压变化值，根据气压变化值下达充放气指令，同时将充放气动作指令信息传输至输出模块；将心率信息及体温信息传输至输出模块；监测可折叠气囊对膝关节的作用力，超出设定值，停止指定动作命令的输出；

输出模块，将处理器输入的充放气动作指令信息传输至气动系统，同时将心率信息和体温信息在智能系统中显示。

优选的，传感系统包括：

惯性传感器：配对使用，一个安装在大腿上靠近膝关节处，一个安装在小腿上靠近膝关节处，用于采集并传输膝关节角度信息；

气压传感器：安装在可折叠气囊内，用于采集并传输可折叠气囊内的气压值；

力传感器：安装在弹性包裹与膝关节之间以及脚底处，用于采集并传输人体与可穿戴膝关节智能助力装置间的相互作用力及地面对脚底反作用力的信息；

心率传感器：用于监测并传输用户的心率信息；

体温传感器：用于监测并传输用户的体温信息；

所有传感器均通过各自的无线发射器将采集到的信号传输至接收模块。

优选的，控制系统中的接收模块、滤波模块、处理器和输出模块均安装在智能通讯设备中；智能通讯设备中设置有将输出模块的指令传输至气动系统的无线信号发射器；气动系统设置有接收输出模块发出的无线信号的无线接收器。

一种基于可穿戴膝关节智能助力装置的助力方法，包括以下步骤：

1)将可折叠气囊固定在腘窝处；将各传感器安装在各自的采集信号区域；

2)膝关节运动时：

2-1)传感系统识别并采集用户运动过程中的脚底地面反作用力、可折叠气囊与膝关节之间的作用力、膝关节角度、心率信息及体温信息，可折叠气囊内的气压信息，并传递至接收模块；

2-2)接收模块接收传感系统传递的所有信息并传输至滤波模块；

2-3)滤波模块降噪处理输入的信息，将降噪处理后的信息传输至处理器；

2-4)处理器内部存储有用户正常运动过程中膝关节的角度以及地面反作用力标准变化曲线；将某时刻膝关节角度和地面反作用力分别与各自的标准变化曲线比对，通过人体逆动力学算法计算出某时刻膝关节需要的辅助力矩值，将辅助力矩值转换为可折叠气囊的输出力矩；将可折叠气囊输出力矩转换为可折叠气囊的气压变化值，根据气压变化值下达充放气指令，同时将充放气动作指令信息传输至输出模块；将心率信息及体温信息传输至输出模块；将心率信息及体温信息传输至输出模块；监测可折叠气囊对膝关节的作用力，超出设定值，停止指定动作命令的输出；

2-5)输出模块将处理器输入的充放气动作指令信息传输至气动系统中，同时将心率信息和体温信息在智能系统中显示；

2-6)气动系统依据输出模块传入的动作指令信息，调整气体的方向及流量，进而调节可折叠气囊中的气压，以实现对可折叠气囊的刚度调节；

3)重复步骤2)至用户膝关节运动结束。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种可穿戴膝关节助力装置，所述助力装置中设置有可折叠气囊，本发明的可折叠气囊由若干个单独的气囊组成，所有气囊的底端固定连接，便于气囊的展开与折叠，完成辅助膝关节运动的作用；该装置通过气动系统调整气囊内气流方向及流量，调节内部气压，以实现对可折叠气囊的刚度调节，从而为膝关节的弯曲和伸展运动提供实时辅助。本发明的可折叠气囊安装在膝关节的腘窝处，与膝后区的贴合度好，结构简单，制作成本低；整体为柔性，提高了人体与助力装置交互的安全性和舒适性。

进一步的，可折叠气囊通过弹性外包裹和弹力带固定安装在膝关节处，使可折叠气囊牢固的安装在膝关节的腘窝处，随着膝关节的运动，可折叠气囊为膝关节提供动力。

进一步的，本发明的可折叠气囊材料选用弹性材料，制作成本低、柔性好、与下肢腘窝处的贴合度高，能够随着下肢的弯曲与伸展进行变形。

进一步的，本发明的气动系统设置有供气装置和气体管道，供气装置提供气体，通过气体管道输入至可折叠气囊。

进一步的，本发明的气体管道上设置有电控阀门，用于控制气体的通断、流量及方向；供气装置由在其内部的电池提供电能，耗电量少。

进一步的，本发明的控制系统设置有传感系统、接收模块、滤波模块、处理器和输出模块；传感系统与用户直接接触，识别用户运动意图、采集用户膝关节运动、生命体征信息并传递至接收模块；接收模块接收传感系统传递的信息并输出至滤波模块，滤波模块将信息降噪处理后传递至处理模块，处理模块综合所有信息得出动作指令通过输出模块传递至气动系统，使气动系统按照控制系统发出的指令以调节可折叠气囊内部气压和气体量；本发明的控制系统，使得可穿戴智能助力装置采用智能控制策略，控制系统发出的系列指令与人体运动趋势保持一致；当用户需要节省部分体力或自身的膝关节无法自主完成正常运动时，由本发明的智能助力装置帮助用户的膝盖达到正常力矩值，帮助用户完成正常运动，达到正常运动的步态。

进一步的，控制系统中的传感系统包括惯性传感器、气压传感器、力传感器、心率传感器和体温传感器；分别用于测量人体不同的运动及健康体征信息；使得控制系统在辅助膝关节运动的同时，能够监测人体健康信息；所有传感器通过无线发射装置将采集到的信号传输至接收模块，使得传感器的安装位置能够根据需求进行自由变换。

进一步的，本发明的控制系统除传感系统中的传感器与人体直接接触外，其余模块均设置在能够随身携带的智能通讯设备中，方便控制系统与气动系统无线信号的传输。

本发明还公开了一种可穿戴膝关节助力装置的助力方法，该方法将控制系统与助力装置结合起来，通过采集并分析人体的各类信号，得出对应的运动指令，并通过气动系统驱动可折叠气囊扩张或收缩；气动系统通过调整可折叠气囊内的气体流量及方向，调节其内部气压，以实现可折叠气囊的刚度调节，从而为膝关节运动提供实时辅助力。完成一次动作后，传感系统继续采集相应信息，重复对应程序；本发明的助力方法，在不影响人体自然运动的前提下，通过可折叠气囊自身的刚度调节辅助膝关节活动。

【附图说明】

图1为本发明的可折叠气囊未充气状态示意图；

图2为本发明的可折叠气囊充气状态示意图；

图3为本发明的可穿戴膝关节智能助力装置穿戴于用户右膝时示意图；

图4为本发明的可穿戴膝关节智能助力装置的控制方法流程图；

其中：1-可折叠气囊；2-气囊；3-气体管道；4-电控阀门；5-弹性外包裹；6-弹力带；7-供气装置；8-腘窝；9-气体输送端口。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明公开了一种可穿戴膝关节智能助力装置，可穿戴膝关节智能助力装置包括可折叠气囊1、弹性外包裹5、弹力带6和气动系统；可折叠气囊1由若干个单独的气囊2依次连接组成，所有气囊2的底端固定连接；未充气的可折叠气囊1为折扇结构，充气后呈展开扇形，其内部有多个气室，各气室之间气体既可相互流通，也可各自独立；气道布置在所述可折叠气囊1内部，便于各气室均匀充放气，可折叠气囊1内部可根据需要铺设各种连接方式的气体管道，如串联、并联或树状气体管道；可折叠气囊1的刚度可通过调节其室内气体的体积及气压实现实时变化，各个气室的气道在可折叠气囊1的气体输送端口9汇总，气体输送端口9能够在可折叠气囊1的底端或侧面；可折叠气囊1的材料选用热塑性聚氨酯、硅胶或塑料等弹性不透气材料。

参见图3，本实施例中，可折叠气囊1固定于弹性外包裹5后侧缝制的可折叠扇形口袋内，弹性外包裹5套装在膝关节上；弹性包裹的上下两侧有可调节松紧的弹力带6。一个弹力带6捆绑在大腿处，一个弹力带6捆绑在小腿处；弹力带6由松紧带或魔术贴制作，用于该可折叠气囊1穿戴的松紧调节以适应不同用户膝部尺寸的变化。

参见图3，气动系统包括供气装置7和气体管道3，供气装置7随身佩戴于用户腰部、大腿部或装在双肩包内放在用户背部；气体管道3的一端和供气装置7的输出端连接，另一端和可折叠气囊1的气体输送端口9连接；供气装置7上设置有电池，为其提供电能；气体管道3上设置有电控阀门4，用于控制气体管道3内气体的通断、气压、流量与充放气方向；控制系统传输通过无线信号形式将动作指令信息传输至气动系统，气动系统设置有接收动作指令信息的无线接收器，气动系统接收到无线信号后，按照指令动作控制可折叠气囊1内部气压；供气装置可以为空气压缩机、气泵、气瓶或可控化学反应瓶。下肢运动时，气动系统实时改变气囊2充放气方向及流量，改变内部气压，以调节气囊2刚度，使其可以在特定时刻合理的储存和释放机械能，从而为膝关节运动提供实时辅助。

参见图4，本发明可穿戴膝关节智能助力装置的控制系统，包括传感系统、接收模块、滤波模块、处理器和输出模块，每一模块的组成及作用如下所示：

传感系统：用于识别并采集用户运动过程中的脚底地面反作用力、膝关节角度、心率信息及体温信息，可折叠气囊1内的气压信息，并传递至接收模块；传感系统包括惯性传感器、气压传感器、力传感器、心率传感器和体温传感器等；若采用脑电或肌电信号进行人体意图识别，还应有相应的脑电信号传感器和表面肌电信号传感器；每一个传感器均设置有单独的无线发出装置，将传感器采集的信息传输至输入模块。其中脑电信号传感器：安装在头部，将识别出的人体下肢的运动意图信息传输至控制系统；表面肌电传感器：安装在下肢肌肉处，采集并传输下肢运动意图信息；惯性传感器：安装在膝关节处，配对使用，一个安装在大腿上靠近膝关节处，一个安装在小腿上靠近膝关节处，用于采集并传输膝关节角度变化信息；气压传感器：安装在可折叠气囊1内部，用于采集并传输可折叠气囊1内的气压值；力传感器：安装在膝关节与助力装置之间以及脚底处，用于采集并传输人体与可穿戴膝关节智能助力装置间的相互作用力及地面反作用力值，用于步态周期分段及控制策略调整；心率传感器：用于监测用户的心率；体温传感器：用于监测用户的体温；本发明的传感系统如需测量其他生命体征信息，可根据实际需求增加其他各类生命体征识别类型。

接收模块：用于接收传感系统传递的信息并传输至滤波模块；

滤波模块：用于降噪处理接收模块输入的信息，将降噪处理后的信息传输至处理器；

处理器：用于进行数据比对与计算，并下达充放气指令；处理器内部存储有用户正常运动过程中膝关节的角度以及地面反作用力标准变化曲线；将某时刻膝关节角度和地面反作用力分别与各自的标准变化曲线比对，确定人体运动状态，如单腿支撑还是双腿支撑，通过人体逆动力学算法计算出某时刻膝关节需要的辅助力矩值，将辅助力矩值转换为可折叠气囊1的输出力矩，所述人体逆动力学算法可通过OPENSIM等软件实现计算，辅助力矩值为人体膝关节为达到正常运动状态需要输入的力矩值；将可折叠气囊1输出力矩转换为可折叠气囊1的气压变化值，根据气压变化值下达充放气指令，即下达相应的气压及气体流量的变化参数，同时将充放气动作指令信息传输至输出模块；将心率信息及体温信息传输至输出模块；监测可折叠气囊1对膝关节的作用力，超出设定值，停止指定动作命令的输出；

输出模块：将处理器输入的动作指令信息传输至气动系统中。

该控制系统除传感系统中的传感器外，其余模块均可安装到用户手机、运动手环或平板电脑等随身携带的智能设备中，对气动系统进行无线控制；智能设备设置有向气动系统传输无线信号的发射器。

参见图4，本发明涉及一种可穿戴膝关节助力装置控制方法，包括以下步骤：

1)将弹性外包裹5套装在膝关节上，捆绑并调整两个弹力带6至合适松紧度；将可折叠气囊1调整至膝关节的腘窝8处；将各传感器安装在各自的采集信号区域，确定传感系统中不同的传感器在对应的信号采集区域；

2)在下肢运动时，控制系统进行信号的采集与动作指令的发出，通过调节气囊内气压，实现气囊的变刚度控制，从而为膝关节提供相应力矩辅助，具体包括以下步骤：

2-1)惯性传感器采集并传输膝关节角度变化数据至接收模块；气压传感器采集并传输可折叠气囊1内的气压值至接收模块；力传感器采集并传输人体与可穿戴膝关节智能助力装置间的相互作用力及地面反作用力值至接收模块；心率传感器：用于监测并传输用户的心率；体温传感器：用于监测并传输用户的体温；若采用脑电信息进行下肢运动意图识别，则需脑电信号传感器识别并传输下肢运动意图信息至接收模块；若采用表面肌电信息进行下肢运动意图识别，则需表面肌电信号传感器识别并传输下肢运动意图信息至接收模块。

2-2)接收模块接收传感系统传递的所有信息并传输至滤波模块；

2-3)滤波模块降噪处理输入的信息，将降噪处理后的信息传输至处理器；

2-4)处理器内部存储有用户正常运动过程中膝关节的角度以及地面反作用力标准变化曲线；将某时刻膝关节角度和地面反作用力分别与各自的标准变化曲线比对，通过人体逆动力学算法计算出某时刻膝关节需要的辅助力矩值，将辅助力矩值转换为可折叠气囊1的输出力矩；将可折叠气囊1输出力矩转换为可折叠气囊1的气压变化值，根据气压变化值下达充放气指令，同时将充放气动作指令信息传输至输出模块；将心率信息及体温信息传输至输出模块；监测可折叠气囊1对膝关节的作用力，超出设定值，停止指定动作命令的输出；

2-5)输出模块将处理器输入的动作指令信息传输至气动系统中，同时将心率信息和体温信息在智能系统中显示；

2-6)气动系统依据输出模块传入的动作指令信息，充放不同流量参数的气体至可折叠气囊1中；膝关节伸展，可折叠气囊1扩张，从腘窝8处辅助膝关节伸展；膝关节弯曲时，可折叠气囊1内释放部分气体，可折叠气囊1内仍然充有气体，从腘窝8处辅助膝关节弯曲。

3)重复步骤2)至用户膝关节运动结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可穿戴膝关节智能助力装置，其特征在于，包括可折叠气囊(1)、气动系统和控制系统，气动系统接收控制系统信号，对可折叠气囊(1)进行充、放气；可折叠气囊(1)由若干个单独的气囊(2)依次连接组成，所有气囊(2)的底端串联成一体；可折叠气囊(1)内充满气体展开时呈扇形状，未充入气体时呈折叠状；可折叠气囊(1)用于安装在腘窝(8)处辅助膝关节运动。

2.根据权利要求1所述的一种可穿戴膝关节智能助力装置，其特征在于，可折叠气囊(1)通过弹性外包裹(5)安装在腘窝(8)处，弹性外包裹(5)用于套装在膝关节上；弹性外包裹(5)的上部与下部分别固定有一个弹力带(6)，两个弹力带(6)均用于捆绑在下肢上。

3.根据权利要求1所述的一种可穿戴膝关节智能助力装置，其特征在于，可折叠气囊(1)选用弹性材料。

4.根据权利要求1所述的一种可穿戴膝关节智能助力装置，其特征在于，气动系统包括供气装置(7)和气体管道(3)；气体管道(3)的一端和供气装置(7)的气体输出端连接，另一端和可折叠气囊(1)的气体输送端口(9)连接。

5.根据权利要求4所述的一种可穿戴膝关节智能助力装置，其特征在于，气体管道(3)上设置有电控阀门(4)，用于控制气体管道(3)内气体的通断、气压和流量；供气装置(7)由电池提供电能。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种可穿戴膝关节智能助力装置，其特征在于，所述控制系统包括：

传感系统，用于识别并采集用户运动过程中的地面反作用力、可折叠气囊(1)与膝关节之间的作用力、膝关节角度、心率信息及体温信息，可折叠气囊(1)内的气压信息，并传递至接收模块；

接收模块，用于接收传感系统传递的所有信息并传输至滤波模块；

滤波模块，用于降噪处理输入的信息，将降噪处理后的信息传输至处理器；

处理器，用于进行数据比对与计算，并下达充放气指令；处理器内部存储有用户正常运动过程中膝关节的角度以及地面反作用力标准变化曲线；将某时刻膝关节角度和地面反作用力分别与各自的标准变化曲线比对，通过人体逆动力学算法计算出某时刻膝关节需要的辅助力矩值，将辅助力矩值转换为可折叠气囊(1)的输出力矩；将可折叠气囊(1)输出力矩转换为可折叠气囊(1)的气压变化值，根据气压变化值下达充放气指令，同时将充放气动作指令信息传输至输出模块；将心率信息及体温信息传输至输出模块；监测可折叠气囊(1)对膝关节的作用力，超出设定值，停止指定动作命令的输出；

输出模块，将处理器输入的充放气动作指令信息传输至气动系统，同时将心率信息和体温信息在智能系统中显示。

7.根据权利要求6所述的一种可穿戴膝关节智能助力装置，其特征在于，传感系统包括：

惯性传感器，配对使用，一个安装在大腿上靠近膝关节处，一个安装在小腿上靠近膝关节处，用于采集并传输膝关节角度信息；

气压传感器，安装在可折叠气囊(1)内，用于采集并传输可折叠气囊(1)内的气压值；

力传感器，安装在弹性包裹与膝关节之间以及脚底处，用于采集并传输人体与可穿戴膝关节智能助力装置间的相互作用力及地面对脚底反作用力的信息；

心率传感器，用于监测并传输用户的心率信息；

体温传感器，用于监测并传输用户的体温信息；

所有传感器均通过各自的无线发射器将采集到的信号传输至接收模块。

8.根据权利要求6任意一项所述的一种可穿戴膝关节智能助力装置，其特征在于，控制系统中的接收模块、滤波模块、处理器和输出模块均安装在智能通讯设备中；智能通讯设备中设置有将输出模块的指令传输至气动系统的无线信号发射器；气动系统设置有接收输出模块发出的无线信号的无线接收器。

9.一种基于权利要求8所述可穿戴膝关节智能助力装置的助力方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将可折叠气囊(1)固定在腘窝(8)处；将各传感器安装在各自的采集信号区域；

2)膝关节运动时：

2-1)传感系统识别并采集用户运动过程中的脚底地面反作用力、可折叠气囊(1)与膝关节之间的作用力、膝关节角度、心率信息及体温信息，可折叠气囊(1)内的气压信息，并传递至接收模块；

2-2)接收模块接收传感系统传递的所有信息并传输至滤波模块；

2-3)滤波模块降噪处理输入的信息，将降噪处理后的信息传输至处理器；

2-4)处理器内部存储有用户正常运动过程中膝关节的角度以及地面反作用力标准变化曲线；将某时刻膝关节角度和地面反作用力分别与各自的标准变化曲线比对，通过人体逆动力学算法计算出某时刻膝关节需要的辅助力矩值，将辅助力矩值转换为可折叠气囊(1)的输出力矩；将可折叠气囊(1)输出力矩转换为可折叠气囊(1)的气压变化值，根据气压变化值下达充放气指令，同时将充放气动作指令信息传输至输出模块；将心率信息及体温信息传输至输出模块；将心率信息及体温信息传输至输出模块；监测可折叠气囊(1)对膝关节的作用力，超出设定值，停止指定动作命令的输出；

2-5)输出模块将处理器输入的充放气动作指令信息传输至气动系统中，同时将心率信息和体温信息在智能系统中显示；

2-6)气动系统依据输出模块传入的动作指令信息，调整气体的方向及流量，进而调节可折叠气囊(1)中的气压，以实现对可折叠气囊(1)的刚度调节；

3)重复步骤2)至用户膝关节运动结束。