CN109620637A - 一种用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置，该装置包括外衣本体、鲍登线单元、驱动单元、步态检测单元、控制单元。人体通过佩戴该驱动装置，实现在行走时对髋关节后伸运动的助力。驱动单元通过腰带固定在人体腰部，外衣本体贴合在下肢皮肤或衣服表面，鲍登线单元将驱动单元与外衣本体有机连接，从而在步态信息检测信号与内部算法的反馈控制下，实现驱动单元对鲍登线单元的有效牵引，进而对下肢髋关节的后伸运动进行助力。本发明提高驱动装置的助力性能，降低人体肌肉的能量消耗，实现对下肢行走运动的助力。

Description

一种用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置

技术领域

本发明涉及一种助力外衣的驱动装置，具体说，涉及一种基于柔性助力外衣，用于实现髋关节后伸运动助力的双侧驱动装置。

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。美国哈佛大学的Asbeck开发出一套便携式的下肢柔性助力外衣，该外衣可对下肢髋关节的后伸动作及踝关节的趾屈动作进行助力，降低穿戴者行走时的能量消耗，而且其驱动装置可通过背包背负在人体背部，极大提高了助力外衣的便携性。Giuk Lee团队开发出一套用于髋关节后伸动作助力的下肢柔性助力外衣，为腿部的后伸动作提供辅助力/矩，具有良好的助力效果，但其外衣的驱动装置体积较大，只能实现穿戴者在跑步机上的行走助力。Louis N团队设计了一套用于踝关节趾屈和背伸动作助力的下肢柔性助力外衣，其驱动装置可通过腰带佩戴在人体腰部，其中驱动元件佩戴在腰部的后面，电池等其他辅件佩戴在腰部的前面，虽然助力性能良好，但其整体结构仍需进一步优化。基于上述背景，本专利拟开发一套用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置，其可对髋关节的后伸动作进行助力，而且该驱动装置可通过腰带佩戴在人体的腰部，具有质量轻、体积小、便携性强等特点。

综上所述，该单关节双侧驱动装置具有以下优点：①该驱动装置的外衣本体主要采用复合纤维材料，质量轻、弹性好、惯性小，从而极大减小对穿戴者自然步态和关节活动范围的影响，提升穿戴者助力过程中的舒适性。②该驱动装置中只包含1个伺服电机，借助双槽滑轮实现双侧驱动助力，极大减小了驱动单元的总体重量，穿戴之后对人体的附加质量小，降低了由于附加质量引起的代谢消耗，而且其与人体腰部的接触部分采用弧面结构，提高了穿戴者的舒适性③在驱动装置的控制系统中，将伺服电机的控制过程分为力矩模式和位置模式两种控制模式，从而保证鲍登线伸缩的准确性与快速性，提升装置的助力效率。而且控制单元中整合了基于导纳原理控制算法的前馈模型，可以对运动过程中的各种损失进行补偿，使力矩曲线跟踪更加准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置，以实现对下肢髋关节的后伸运动进行助力。

本发明的实例提供了一种用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置，其特征在于，该驱动装置包括外衣本体、鲍登线单元、驱动单元、步态检测单元、控制单元。人体通过佩戴该驱动装置，实现在行走时对髋关节后伸运动的助力。驱动单元通过腰带固定在人体腰部，外衣本体贴合在下肢皮肤或衣服表面，鲍登线单元将驱动单元与外衣本体有机连接，从而在步态信息检测信号与内部算法的反馈控制下，实现驱动单元对鲍登线单元的有效牵引，进而对下肢髋关节的后伸运动进行助力。

进一步，外衣本体包括1个含氨纶基层的环形腰带和2个腿部环带。含氨纶基层的环形腰带穿戴于人体腰部，2个腿部环带分别穿戴于左、右膝关节上部。在环形腰带的背面的底部，对称的设计两个锚点A和B，其具体位置分别位于左右大腿的中线位置。在2个腿部环带的后上部和锚点A、B的正下方，分别设计锚点C和锚点D。

进一步，鲍登线单元包括左髋鲍登线和右髋鲍登线，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。左髋鲍登线的线管一端固定在驱动单元的底板孔上，一端固定在锚点A上，钢丝绳一端连接在驱动单元的滑轮槽上，另一端固定在锚点C上；右髋鲍登线的线管一端固定在驱动单元的底板孔上，一端固定在锚点B上，钢丝绳一端连接在驱动单元的滑轮槽上，另一端固定在锚点D上。

进一步，驱动单元通过腰带穿戴在腰上，其主要包括直流电机、减速器，滑轮，直流电机通过减速器将动力传递给滑轮，滑轮驱动两侧的左髋鲍登线及右髋鲍登线的钢丝绳，促使滑轮的往复回转运动转化为钢丝绳的周期伸缩运动。滑轮通过滑轮轴安装在滑轮架上，两端由轴承支撑，直流电机与减速器配合，通过转接法兰，固定在滑轮架上，左髋、右髋鲍登线的钢丝绳分别连接在滑轮的两个滑轮槽上，鲍登线的线管分别固定在驱动单元的底板孔上。

进一步，步态检测单元包括拉力传感器等各类传感器，实现下肢步态信息的测评以及鲍登线实时拉力的检测，并将测量数据反馈至控制单元。拉力传感器模块集成在锚点A、B的铝制附件中，测量行走时鲍登线钢丝绳的实时拉力。

进一步，控制单元包括顶层上位机、中间处理器、底层伺服电机。顶层上位机以Windows系统的平板电脑为平台，利用C#语言进行开发，实现指令的发送与数据的反馈处理，其与中间处理层的通信方式采用无线模块ZigBee。中间处理层采用STM32F103ZET6核心板进行开发，一方面与顶层上位机及底层伺服电机进行通信，另一方面实现各类传感器数据的采集和处理，底层伺服电机的型号为Maxon RE40，其与中间处理层的通信方式为CAN通信，其运行过程分为两个阶段，在助力阶段采用力矩模式进行控制，在非助力阶段采用位置模式进行控制。而且，该控制单元将柔性外衣的整体刚度、下肢的运动信息以及执行机构的运动情况进行整体建模，借助导纳原理的控制算法，建立控制系统的前馈模型，并将其整合到上位机中。

附图说明

图1是本发明一种用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置的整体视图；

图2是本发明一种用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置的正视图；

图3是驱动单元的轴侧视图；

图4是驱动单元去除上盖的轴侧视图；

图5是驱动单元去除上盖的俯视图；

图6是驱动单元前视面的全剖视图；

图7是足底压力传感器的分布图；

图8是控制单元的控制原理图；

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8所示，图1是本发明一种用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置的整体视图，图2是本发明一种用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置的正视图，图3是驱动单元的轴侧视图，图4是驱动单元去除上盖的轴侧视图，图5是驱动单元去除上盖的俯视图，图6是驱动单元前视面的全剖视图，图7是足底压力传感器的分布图，图8是控制单元的控制原理图。

本实施例提供了一种用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置，参图1～图8所示，该驱动装置包括外衣本体、鲍登线单元、驱动单元、步态检测单元、控制单元。人体1通过佩戴该驱动装置，实现在行走时对髋关节后伸运动的助力。驱动单元17通过腰带环21与腰带3固定在人体腰部，外衣本体贴合在下肢皮肤或衣服表面，鲍登线单元将驱动单元与外衣本体有机连接，从而在步态信息检测信号与内部算法的反馈控制下，实现驱动单元对鲍登线单元的有效牵引，进而对下肢髋关节的后伸运动进行助力。驱动单元中滑轮27的两个滑轮槽各牵引一套鲍登线单元，分别对人体下肢的左髋关节和右髋关节进行牵引，辅助左、右髋关节的后伸运动，以减少大腿4做后屈动作时所需的作用力，进而降低人体下肢相应肌肉的能量消耗，实现对人体下肢行走运动的助力。

在本实施例中，参图1、图2所示，外衣本体包括1个含氨纶基层的环形腰带3和2个腿部环带5。所述环形腰带3穿戴于人体腰部，在腰带3上添加氯丁橡胶是为了更好的分散穿戴者髂骨周围的压力，提高助力过程中穿戴者的舒适度。2个腿部环带5分别穿戴于左、右膝关节上部。在所述环形腰带3的背面的底部，对称的设计锚点A和锚点B，其具体位置分别位于左右大腿4的中线位置，锚点A和锚点B的主要作用是固定左髋鲍登线15及右髋鲍登线12。在所述2个腿部环带5的后上部和锚点A、B的正下方，分别设计锚点C和锚点D，他们的作用是分别固定左髋鲍登线15的内部钢丝绳13和右髋鲍登线12的内部钢丝绳10，通过牵引两条鲍登线的钢丝绳，促使锚点C、D相对于锚点A、B向上抬升，以减少大腿4做后伸动作时所需的作用力，降低人体的能量消耗。

在本实例中，参图1、图2、图3和图4所示，鲍登线单元包括左髋鲍登线15和右髋鲍登线12。所述左髋鲍登线的钢丝绳13位于线管内，在驱动单元中滑轮27的驱动下，所述钢丝绳13沿线管运动。所述左髋鲍登线15的线管一端固定在驱动单元的第一底板孔30上，一端固定在锚点A上，所述左髋鲍登线15的钢丝绳13一端连接在驱动单元的滑轮槽上，另一端固定在锚点C上。相应的，所述右髋鲍登线12的线管一端固定在驱动单元的第二底板孔31上，一端固定在锚点B上，所述右髋鲍登线12的钢丝绳10一端连接在驱动单元的滑轮槽上，另一端固定在锚点D上。同时，在锚点A、锚点C之间增加第一压簧14，将左髋鲍登线的钢丝绳13穿过第一压簧14的中部，在助力阶段，由于锚点A、锚点C之间的距离缩短，使得第一压簧14被压缩；在非助力阶段，A、C之间的距离在第一压簧14弹力的作用下恢复原长，从而促使钢丝绳伸长到初始状态，进而提高助力装置的伺服性能。相应的，在锚点B、锚点D之间也增加第二压簧11。此外，两根压簧用黑色网状材料覆盖，避免压簧与人体的其他部分发生干涉。

在本实施例中，参图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，驱动单元17通过两个腰带环21与腰带3佩戴在人体的腰部，左髋鲍登线15及右髋鲍登线12的钢丝绳分别连接在滑轮27的两个滑轮槽上，滑轮27驱动两侧的左髋鲍登线15及右髋鲍登线12的钢丝绳，促使滑轮27的往复回转运动转化为钢丝绳的周期伸缩运动，左髋鲍登线15及右髋鲍登线12的线管分别固定在驱动单元的底板孔上。驱动单元包括编码器22、直流电机23、减速器24，滑轮27。所述滑轮27与滑轮轴34配合，固定在滑轮架28上，滑轮架28通过四个螺钉固定在底板29上，滑轮轴34两端由深沟球轴承33支撑，轴承33靠滑轮轴34的两端轴肩及滑轮架28的两端孔用卡簧35进行轴向定位。所述编码器22、直流电机23与减速器24相配合，借助转接法兰25固定在滑轮架28上，直流电机轴32与滑轮轴34借助紧定螺钉进行周向定位，实现直流电机23到滑轮27的动力传输。滑轮27上开有两个滑轮槽，分别用于左髋鲍登线15及右髋鲍登线12的连接，在滑轮27上配有两个滑轮配件26，防止鲍登线在运动时脱离滑轮27。驱动直流电机23所需的驱动器41、电池40和电路板39分别固定在底座19内部，为了保证底座19内部的散热，在底座19两侧均安装了散热风扇37及配套的防护罩20。此外，为了提高鲍登线的柔顺性，在底板29上安装鲍登线上配件36，在底座19上安装鲍登线下配件38，防止鲍登线发生折弯，提高鲍登线内钢丝绳的伸缩性能。而且，为了提高穿戴者的舒适性，提高人机交互性能，底座19与上盖18中与人体腰部的接触部分均设置为弧面结构，上盖18中的散热孔则是为了提高装置的散热性能。

在本实施例中，参图1、图2、图3、图7所示，步态检测单元包括惯性传感器6、压力传感器9和拉力传感器16，实现下肢步态信息的测评以及鲍登线实时拉力的检测，并将测量数据反馈至控制单元。在人体下肢的外侧粘贴惯性传感器单元6，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。通过计算所述惯性传感器单元6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控制单元的中间处理层。在所述鞋子7的鞋尖处分别固定1个二级惯性传感器单元8，测量脚尖的运动学和动力学信息。在所述鞋子内侧的足底位置固定五个压力传感器9，且压力传感器9呈勺状分布，用于测量行走时脚部与地面的接触压力和位置。所述的拉力传感器模块16集成在锚点A、B的铝制附件中，用于测量行走时鲍登线钢丝绳的实时拉力。

在本实施例中，参图6、图8所示，控制单元包括顶层上位机、中间处理器、底层伺服电机。所述顶层上位机基于Windows系统，采用C#语言进行开发，进行指令的发送与反馈数据的接受处理，指令发送与数据接收的通信方式采用无线模块ZigBee，所述无线模块ZigBee通过杜邦线连接到中间处理层上，数据处理则是借助该控制系统的前馈模型，该模型是基于导纳原理的控制算法，将柔性外衣的整体刚度、下肢的运动信息以及执行机构的运动情况进行整合得到，从而可以对运动过程中的各项损失进行补偿，使力跟踪更加准确。所述中间处理层采用STM32F103ZET6核心板进行开发，一方面进行与顶层上位机和底层伺服电机之间的通信，其通信方式采用无线模块ZigBee，另一方面进行各类传感器数据的采集和处理，其采集方式为ADC模数转换。底层伺服电机23的型号为Maxon RE40，其与中间处理层的通信方式为CAN通信，在中间处理层上留有CAN通信接口。其运行过程分为两个阶段，在助力阶段采用力矩模式进行控制，在非助力阶段采用位置模式进行控制，从而在保证精确力矩曲线跟踪的同时，提升鲍登线钢丝绳拉伸、收缩的准确性与快速性，提高助力装置的助力性能。

本发明提供一种用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置，具有如下有益效果：

1)该驱动装置的外衣本体主要采用复合纤维材料，质量轻、弹性好、惯性小，从而极大减小对穿戴者自然步态和关节活动范围的影响，提升穿戴者助力过程中的舒适性；

2)该驱动装置中只包含1个伺服电机，借助双槽滑轮实现双侧驱动助力，极大减小了驱动单元的总体重量，穿戴之后对人体的附加质量小，降低了由于附加质量引起的代谢消耗，而且其与人体腰部的接触部分采用弧面结构，提高了穿戴者的舒适性；

3)在驱动装置的控制系统中，将伺服电机的控制过程分为力矩模式和位置模式两种控制模式，从而保证鲍登线伸缩的准确性与快速性，提升装置的助力效率。而且控制单元中整合了基于导纳原理控制算法的前馈模型，可以对运动过程中的各种损失进行补偿，使力矩曲线跟踪更加准确。

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 (2)

1.一种用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置，该装置包括外衣本体、鲍登线单元、驱动单元、步态检测单元、控制单元；

其特征在于：驱动单元通过腰带固定在人体腰部，外衣本体贴合在下肢皮肤或衣服表面，鲍登线单元将驱动单元与外衣本体有机连接，驱动单元对鲍登线单元牵引，进而对下肢髋关节的后伸运动进行助力。

外衣本体包括1个含氨纶基层的环形腰带和2个腿部环带；

含氨纶基层的环形腰带穿戴于人体腰部，2个腿部环带分别穿戴于左、右膝关节上部；

在环形腰带的背面的底部，对称的设计两个锚点A和B，其具体位置分别位于左右大腿的中线位置；

在2个腿部环带的后上部和锚点A、B的正下方，分别设计锚点C和锚点D；

鲍登线单元包括左髋鲍登线和右髋鲍登线，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；

左髋鲍登线的线管一端固定在驱动单元的底板孔上，一端固定在锚点A上，钢丝绳一端连接在驱动单元的滑轮槽上，另一端固定在锚点C上；

右髋鲍登线的线管一端固定在驱动单元的底板孔上，一端固定在锚点B上，钢丝绳一端连接在驱动单元的滑轮槽上，另一端固定在锚点D上；

驱动单元通过腰带穿戴在腰上，包括直流电机、减速器，滑轮，直流电机通过减速器将动力传递给滑轮，滑轮驱动两侧的左髋鲍登线及右髋鲍登线的钢丝绳，促使滑轮的往复回转运动转化为钢丝绳的周期伸缩运动；

滑轮通过滑轮轴安装在滑轮架上，两端由轴承支撑；

直流电机与减速器配合，通过转接法兰，固定在滑轮架上；

左髋、右髋鲍登线的钢丝绳分别连接在滑轮的两个滑轮槽上，鲍登线的线管分别固定在驱动单元的底板孔上；

步态检测单元包惯性传感器、压力传感器和拉力传感器用于实现下肢步态信息的测评以及鲍登线实时拉力的检测，并将测量数据反馈至控制单元；

其中拉力传感器模块集成在锚点A、B的铝制附件中，测量行走时鲍登线内钢丝绳的实时拉力；

控制单元包括顶层上位机、中间处理器、底层伺服电机；

顶层上位机用于实现指令的发送与数据的反馈处理，其与中间处理层的通信方式采用无线模块ZigBee；

中间处理层一方面与顶层上位机和底层伺服电机进行通信，另一方面实现各类传感器数据的采集和处理；

底层伺服电机用于驱动滑轮做周期往复运动，其与中间处理层的通信方式为CAN通信。

2.根据权利要求1所述的一种用于柔性助力外衣的单关节双侧驱动装置，其特征在于驱动单元与人体的接触部分采用弧面结构。