CN110787023A - 一种拉索动力装置及其动力系统和助力设备及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拉索动力装置及其动力系统和助力设备及其控制方法。本发明拉索驱动动力装置通过采用精简后的谐波减速器，将动力件通过精简的谐波减速器传递至拉索驱动机构，达到减轻动力关节重量、提高能量密度的目的。基于拉索驱动动力装置的动力系统，采用拉索传动的方式输出动力，从而可以将动力装置上移至穿戴者腰部附近，减轻腿部惯量，减小对膝关节的损害，达到提高穿戴灵活性、机动性的目的。基于动力系统的轻便助力设备，有助于助力装置控制系统提升外骨骼动力性能，能够为穿戴者膝关节和髋关节提供助力，且成本低、可靠性高。

Description

一种拉索动力装置及其动力系统和助力设备及其控制方法

技术领域

本发明涉及穿戴设备，更具体地说是指一种拉索动力装置及其动力系统和助力设备及其控制方法。

背景技术

人类在日常工作生活中常常遇到希望增强人体腿部力量的情况，可穿戴外骨骼机器人是满足这一类应用的装置，尤其是带有动力的下肢助力外骨骼机器人；但现有技术中这类装置通常比较笨重，如专利200680006514.1、专利200780027195.7均披露了这类技术，采用该技术的装置用户穿戴体验不佳。

现有技术中，有专门针对膝关节进行助力的装置，这类装置针对上述笨重设备进行大幅度裁剪，从而可以大大减轻设备重量，专利US9532894B2、CN2018103683215均披露了一种膝关节助力的技术，其采用较为轻便的助力装置实现对穿戴者下肢的助力，用户穿戴体验有较大改善；但这类技术也存在较为明显的缺陷：其动力装置放置在膝关节处，动力装置包含的电机、减速机及相关传动机构会带来重量，动力装置的重量增加穿戴者腿部重量和惯量，此类装置髋关节不带有助力，穿戴者在抬腿时或上楼时会感觉不适，造成长时间穿戴体验不佳。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种拉索动力装置及其动力系统和助力设备及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种拉索驱动动力装置，包括动力件，联接于动力件动力输出端的减速机构及联接于减速机构输出端的拉索驱动机构；所述动力件的动力通过减速机构减速后，再通过拉索驱动机构将动力输出。

其进一步技术方案为：所述动力件为电机，包括定子外壳及转子；所述定子外壳呈凹腔结构，容纳所述转子，且转子与减速机传动联接；所述转子旋转联接于定子外壳的凹腔内。

其进一步技术方案为：所述定子外壳中心设有定子环状凸起，且所述定子环状凸起中心设有定子中心通孔；所述定子线圈固定于所述定子外壳凹腔内；所述转子中心设有转子环状凸起，且所述转子环状凸起中心设有转子中心通孔；所述转子环状凸起旋转联接于定子环状凸起的外侧或内侧。

其进一步技术方案为：所述减速机构包括钢轮、旋转轮及减速发生器；所述减速发生器与动力件的动力输出端固定联接；所述钢轮为圆环结构，所述减速发生器于其内侧旋转运动；所述旋转轮设于减速器与钢轮之间，且与拉索驱动机构传动联接；所述旋转轮旋转联接于钢轮的空腔内壁。

其进一步技术方案为：所述减速机构还包括钢轮连接板；所述钢轮固定于钢轮连接板内腔，钢轮连接板与定子外壳固定联接。

其进一步技术方案为：所述拉索驱动机构包括拉索驱动轮；所述拉索驱动轮旋转联接于钢轮连接板；所述拉索驱动轮直接或通过设有的旋转轮连接板与旋转轮固定联接，以使旋转轮驱动拉索驱动轮转动；所述拉索驱动轮外侧设有用于缠绕拉索的拉索驱动轮凹槽。

其进一步技术方案为：还包括编码器机构；所述编码器机构包括中心梁、第一磁体和第一磁场感应电路；所述中心梁固定于定子外壳的定子中心通孔，且穿过所述减速发生器设有的内孔，并延伸至旋转轮内腔；所述第一磁体固定于减速发生器上，且朝向旋转轮内腔；所述第一磁场感应电路固定于中心梁上，且靠近于第一磁体；

或，

还包括编码器机构；所述编码器机构包括中心梁、第一磁体和第一磁场感应电路；所述中心梁通过定子中心通孔延伸至旋转轮内腔；所述中心梁的內端与减速发生器固定联接，外端延伸至定子外壳边缘，且第一磁体固定于外端；所述第一磁场感应电路固定于定子中心通孔外侧，且近于第一磁体。

一种拉索驱动动力系统，包括上述的动力装置，大腿杆及小腿杆；所述动力装置固定于大腿杆上端、穿戴者腰部或背部；所述大腿杆下端旋转联接有膝关节转盘，且所述膝关节转盘通过设有的拉索与动力装置传动联接；所述小腿杆固定于膝关节转盘，或小腿杆与膝关节转盘为一体结构；所述动力装置驱动拉索放出或收回，以使拉索处于松弛状态或张紧状态；所述拉索处于松弛状态时，小腿杆相对于大腿杆自由转动；所述拉索处于张紧状态时，所述小腿杆相对于大腿杆伸展。

其进一步技术方案为：所述大腿杆或钢轮连接板及其延伸机构上设有拉索张力传感器；所述拉索张力传感器包括应变梁、应变片以及惰轮；所述应变梁一端固定于所述大腿杆或钢轮连接板及其延伸机构上，另一端与所述惰轮旋转联接；所述应变片紧贴在所述应变梁上，所述拉索挤压于惰轮；所述拉索张紧时挤压所述惰轮，进而应变梁使产生形变，所述形变由所述应变片感应。

其进一步技术方案为：还包括膝关节角度传感器；所述膝关节角度传感器包括第二磁体和第二磁场感应电路；所述第二磁体与所述第二磁场感应电路分别固定于大腿杆或其延伸结构上以及膝关节转盘或其延伸结构上，或者分别固定于所述膝关节转盘或其延伸结构以及大腿杆或其延伸结构上；所述第二磁场感应电路靠近所述第二磁体。

一种轻便助力设备，包括动力系统、能源系统、控制系统、人机连接以及运动传感系统，所述动力系统为上述的拉索驱动动力系统；所述控制系统通过控制所述拉索驱动动力系统的动力装置，以使拉索的张紧或放松，从而控制穿戴者下肢伸展或自由转动；所述运动传感系统与控制系统电性连接。

其进一步技术方案为：所述人机连接包括腰部绑带、大腿绑带、小腿绑带，且分别与穿戴者腰部、大腿及小腿相应位置固定；还包括腰部连接段，且所述腰部连接段上端与腰部绑带固定联接，其下端与大腿杆上端旋转联接；所述大腿绑带与所述大腿杆固定联接，所述小腿绑带与小腿杆固定联接。

其进一步技术方案为：所述拉索动力驱动装置设置于穿戴者腰部或背部，并于所述髋关节处设置惰轮；所述拉索绕于所述惰轮，并且其下端与膝关节转盘联接。

其进一步技术方案为：所述运动传感系统包括所述膝关节角度传感器；

或还包括髋关节角度传感器；所述髋关节角度传感器设置于所述腰部连接段与大腿杆旋转联接处，以测量所述大腿杆与所述腰部连接段相对角度；

或/和，

所述运动传感器系统还包括足薄膜底压力传感器或足踏开关，用以感知穿戴者足部是否触地；所述足薄膜底压力传感器或足踏开关设置于穿戴者的足部下方；

或/和，

所述运动传感系统还包括若干惯性传感器，联接所述大腿杆、小腿杆、大腿绑带、小腿绑带或其任意一种组合上，用以感知穿戴者腿部运动角速度和/或加速度。

其进一步技术方案为：所述能源系统为电池组；所述控制系统包括处理器、存储器及通信接口；所述能源系统为所述控制系统及动力系统内动力件和运动传感系统供电，所述控制系统电连接所述动力系统及运动传感系统，其根据所述动力系统及运动传感系统内传感器测量的信息判断穿戴者当前的步态，并驱动动力装置工作在跟随转动、给定力矩输出、低阻尼、高阻尼或弹簧状态。

一种助力设备的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、所述控制系统根据所述运动传感系统测量值判断穿戴者足部是否处于触地状态，如果是则转步骤二，否则转步骤三；

步骤二、所述控制系统控制所述拉索驱动装置收缩拉索，直到所述拉索张力传感器感测到拉索张力达到设定值；转步骤一；

步骤三、所述控制系统控制所述拉索驱动装置伸出拉索，直到所述拉索张力传感器测到拉索张力为零或其长度达到设定值，转步骤一。

其进一步技术方案为：所述步骤一，判断穿戴者足部是否处于触地状态时，所述控制系统根据运动传感系统的惯性传感器、髋关节角度传感器、拉索张力传感器、膝关节角度传感器测量值的一种或多种组合判断穿戴者足部是否触地；判断触地的方法包括惯性传感器加速度值门限法、惯性传感器倾角门限法、拉索张紧传感器反馈法或其组合。

其进一步技术方案为：设置触地标志或离地标志，当发生触地事件，设置触地标志为触地，当发生离地事件，设置离地标志为离地；

所述触地事件包括以下一个或多个条件组合：

条件一、触地标志为触地；

条件二、设置于小腿杆上惯性传感器检测到加速度值超过设定值；

条件三、膝关节角度传感器测量值变化率大于设定值；

所述离地事件包括以下一个或多个条件组合：

条件一、当离地标志为离地；

条件二，设置于小腿杆上惯性传感器检测到加速度值超过设定值；

条件三、膝关节角度传感器测量值变化率大于设定值。

其进一步技术方案为：所述步骤一判断穿戴者足部是否处于触地状态，通过所述足底压力传感器大于设定阈值或所述脚踏开关为开，则判断所述穿戴者足部处于触地状态，否则处于离地状态。

其进一步技术方案为：所述步骤二，控制拉索收紧直到张力达到设定值，比较所述张力传感器测量值和设定值，采用反馈控制算法不断控制所述拉索达到设定目标，所述反馈控制算法包括PID、模糊PID、滑膜控制中至少一个。

其进一步技术方案为：所述步骤三，控制拉索为松弛状态，此时张力传感器测量值为零，根据所述膝关节角度传感器测量值和/或髋关节角度传感器测量值控制所述拉索驱动装置与所述关节转盘线速度旋转，使得所述拉索松弛程度保持不变，所述控制算法包括PID、模糊PID、滑膜控制中至少一个。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

第一磁体和第一磁场感应电路采用非接触耦合方式实现了电机转动角度的测量，简单、轻薄、成本低，大大简化了机械结构设计复杂度。磁体和磁场感应电路之间没有接触，不会有磨擦，不会造成机械摩损，耐用性好。磁体产生的磁场是静态磁场，不易受环境干扰影响，可靠性高；所述第一磁体和第一磁场感应电路均设置于谐波腔体内，结构紧凑，空间利用率高。

采用第二磁体和第二磁场感应电路非接触耦合方式实现了大腿杆、小腿杆之间相对角度的测量，简单、轻薄、低成本、无磨损、可靠性高。

本发明拉索驱动动力装置通过采用精简后的谐波减速器，将动力件通过精简的谐波减速器传递至拉索驱动机构，达到减轻动力装置重量、提高能量密度的目的。基于拉索驱动动力装置的动力系统，采用拉索传动的方式输出动力，从而可以将动力装置上移至穿戴者腰部附近，减轻腿部惯量，达到提高穿戴灵活性、机动性的目的。基于动力系统的轻便助力设备，集成有电机旋转编码器、膝关节角度传感器、髋关节角度传感器、拉索张力传感器(也即膝关节扭矩传感器)、多个惯性传感器，能同时对电机转动角度、大小腿相对转动角度、腰部和大腿相对转动角度以及大小腿相对扭矩情况进行测量，有助于助力装置控制系统提升外骨骼动力性能，且成本低、可靠性高。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为本发明一种拉索驱动动力装置实施例1剖面示意图；

图2为本发明一种拉索驱动动力装置实施例2剖面示意图；

图3为本发明一种拉索驱动动力系统的上半部分结构示意图；

图4为本发明一种拉索驱动动力系统的膝关节部分结构示意图；

图5为本发明一种拉索驱动动力系统的膝关节部分正面剖视图；

图6为本发明一种拉索驱动动力系统的拉索张力传感器剖面结构示意图；

图7为图5的A处的放大图；

图8为本发明一种拉索驱动动力系统的髋关节剖面结构示意图；

图9为本发明一种轻便助力设备的实施例1侧面结构示意图；

图10为本发明一种轻便助力设备的实施例1正面结构示意图；

图11为本发明一种轻便助力设备的实施例2侧面结构示意图；

图12为本发明一种轻便助力设备的实施例2正面结构示意图；

图13为本发明一种轻便助力设备的实施例3侧面结构示意图；

图14为本发明一种助力设备的控制方法的控制总流程图；

图15为本发明一种助力设备的控制方法的步骤4的控制流程图；

图16为本发明一种助力设备的控制方法的步骤6的控制流程图；

图17为本发明一种助力设备的控制方法的目标值设定曲线示例；

图18为本发明一种助力设备的控制方法的松弛长度设定曲线示例。

附图标记如下：

1—动力件；11—定子外壳；111—定子环状凸起；1111—定子中心通孔；112—定子凹腔；12—转子；121—转子环状凸起；1211—转子中心通孔；13—定子线圈；14—电机轴承；

2—减速机构；21—钢轮；211—钢轮连接板；22—旋转轮；221—旋转轮连接板；23—减速发生器；

3—拉索驱动机构；31—承力轴承；32—拉索驱动轮；321—拉索驱动轮凹槽；

4—编码器机构；41—中心梁；411—中心梁锁紧螺丝；42—第一磁体；43—第一磁场感应电路；

1000—动力系统；1000A—拉索驱动动力装置；1000B—膝关节转盘；1000C—拉索；1000C1—拉索外壳固定件一；1000C2—拉索外壳固定件二；1000D—大腿杆；1000E—小腿杆；1000E1—伸展限位；1000F—腰部连接段；1000G—髋关节；1001—能源系统；1002—控制系统；1003—人机连接；1003A—腰部绑带；1003B—大腿上绑带；1003C—大腿下绑带；1003D—小腿上绑带；1003E—小腿护壳；1003F—小腿下绑带；1004—运动传感系统；1004A—拉索张力传感器；1004A1—拉索惰轮；1004A2—测力感应梁；1004A3—应变片；1004B—膝关节角度传感器；1004B1—第二磁体；1004B2—第二磁场感应电路；1004C—髋关节角度传感器；1004C1—第三磁体；1004C2—第三磁场感应电路；1004D—大腿惯性传感器；1004E—小腿惯性传感器；1004F—足底薄膜压力传感器(或足踏开关)。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

如图1至图18为本发明实施例的图纸。

紧凑型拉索动力驱动装置实施例1。

一种拉索驱动动力装置1000A，如图1所示，包括动力件1、联接动力件动力输出端的减速机构2、联接减速机构输出端的拉索驱动机构3以及编码器机构4。所述动力件1的动力通过减速机构2减速后，再通过拉索驱动机构3将动力输出。

其中，所述动力件1为电机，包括定子外壳11、转子12、定子线圈13和电机轴承14。所述定子外壳11为薄壁碗状结构，带有定子凹腔112，其中心带有定子环状凸起111，所述定子环状凸起111内带有定子中心通孔1111。所述定子线圈13为环状结构，固定在所述定子凹腔内。所述转子12亦为薄壁碗状结构，其中心亦带有转子环状凸起121，所述转子环状凸起121中心带有转子中心通孔1211；所述电机轴承14内圈与所述定子环状凸起111外缘配合，外圈与转子中心通孔1211联接；所述转子12为动力件1的动力输出端，旋转于定子线圈13外侧。转子环状凸起121旋转联接于定子环状凸起111的外侧。

所述减速机构2为谐波减速机，包括钢轮21，与钢轮21旋转联接的旋转轮22，及与旋转轮22传动联接的减速发生器23。钢轮21为圆环结构，所述减速发生器23和旋转轮22在钢轮21内侧旋转运动。所述旋转轮22为凹腔结构，其凹腔端口设置于减速发生器23的外侧与钢轮21内壁之间。所述减速发生器23为减速机构2动力输入端，其旋转会带动旋转轮22减速旋转；所述电机转子12传动联接所述减速发生器23，所述电机定子外壳11通过钢轮连接板211联接钢轮21。旋转轮22通过设有的旋转轮连接板221与拉索驱动机构3传动联接。旋转轮22在钢轮21内腔旋转运动，其中，旋转轮22的外表面与钢轮21的内壁是滑动联接或不接触运动。钢轮21通过螺栓固定在设有的钢轮连接板211上，且钢轮连接板211通过螺栓与定子外壳11固定联接。

所述拉索驱动机构3包括承力轴承31和拉索驱动轮32，所述承力轴承31内圈与钢轮连接板211联接，外圈与拉索驱动轮32联接，所述拉索驱动轮32与旋转轮连接板221联接，所述旋转轮连接板221与旋转轮22联接。旋转轮22的动力通过旋转轮连接板221传递至拉索驱动轮32，以使拉索驱动轮32相对于钢轮21转动。

紧凑型拉索动力驱动装置1000A工作过程如下：所述电机转子12在电力驱动下相对定子外壳11转动，即相对钢轮21转动，从而带动减速发生器23相对钢轮21转动，进而带动旋转轮22相对钢轮21减速转动，再带动旋转轮连接板221、拉索驱动轮32转动；拉索1000C固定在拉索驱动轮32的拉索驱动轮凹槽321内，其在拉索驱动轮32的转动下伸展或收缩。

所述编码器机构4包括中心梁41、第一磁体42和第一磁场感应电路43。所述中心梁41靠近电机1的一端与所述定子中心通孔1111配合，且穿过所述减速发生器23设有的内孔，并延伸至旋转轮22内腔，由中心梁锁紧螺丝411与电机定子外壳11联接，中心梁41远离动力件1的一端带有第一磁场感应电路43。所述第一磁体42联接在所述减速发生器23远离电机1的一侧，与所述第一磁场感应电路43靠近。

所述编码器机构4的工作过程如下：

当所述转子12相对定子外壳11、定子线圈13转动，带动减速发生器23相对定子外壳11转动，即带动减速发生器23、第一磁体42相对中心梁41转动，进而带动第一磁体42相对第一磁场感应电路43旋转，所述第一磁场感应电路43通过感应第一磁体42的相对转动角度从而测量电机转子12相对电机定子线圈13的旋转角度。

紧凑型拉索动力驱动装置实施例2

如图2所示，为实施例2的结构图，与实施例1不同之处在于编码器机构4。所述编码器机构4的中心梁41內端与减速发生器23固定联接，并经过定子中心通孔1111延伸到电机定子外壳11边缘，所述第一磁体42固定在所述中心梁41外端上，所述第一磁场感应电路43固定在所述电机定子外壳11上，且靠近所述第一磁体42。其工作原理与实施例1相同。采用实施例2方案旋转轮22凹腔做得更浅，从而整体上减小本装置的厚度，减小体积。

本发明一种拉索驱动动力系统，图1至图7所示，所述膝关节部分包括大腿杆1000D、膝关节转盘1000B、拉索1000C以及拉索外壳固定件一1000C1、拉索外壳固定件二1000C2。拉索外壳固定件一1000C1、拉索外壳固定件二1000C2用于固定拉索1000C的外表皮。所述膝关节转盘1000B为圆盘形或扇形，与所述大腿杆1000D旋转联接，所述膝关节转盘1000B联接小腿杆1000E，所述拉索1000C的外表皮通过所述拉索外壳固定件二1000C2固定在所述大腿杆1000D上，所述拉索1000C线芯一端(或下端)固定在所述膝关节转盘1000B上。

拉索驱动动力装置1000A转动带动拉索1000C线芯收缩时，带动所述膝关节转盘1000B转动，从而带动小腿杆1000E相对大腿杆1000D转动。

于其他实施例中，为防止拉索1000C松弛，所述大腿杆1000D和膝关节转盘1000B之间还可以带有扭簧，以使得大腿杆1000D和膝关节转盘1000B之间具备相对弯曲收缩的趋势。

为防止拉索1000C张紧时过大力矩伤害穿戴者，所述大腿杆1000D和膝关节转盘1000B之间带有伸展限位1000E1，所述伸展限位1000E1为小腿杆上的突出部分，当膝关节打直时接触所述大腿杆1000D的下端，从而阻止所述膝关节继续伸展。

图3所示本发明紧凑型拉索驱动动力系统上半部分实施示意，所述拉索1000C采用鲍登线，其外壳通过拉索外壳固定件一1000C1固定在大腿杆1000D上，其线芯绕过拉索张力传感器1004A固定在所述动力驱动装置1000A的拉索驱动轮32上；当拉索张紧时，会给拉索张力传感器1004A施加一个压力F，张力传感器1004A通过检测压力F从而可以计算拉索张力。

图6所示为所述拉索张力传感器1004A的实施结构，所述张力传感器1004A由拉索惰轮1004A1、测力感应梁1004A2以及应变片1004A3组成，所述拉索惰轮1004A1旋转连接测力感应梁1004A2，所述应变片1004A3贴合在所述测力感应梁1004A2上，所述拉索1000C线芯绕过所述拉索惰轮1004A1；拉索1000C张紧时施加给拉索张力传感器1004A的力F会使得测力应变梁1004A2产生形变，被所述应变片1004A3感知，从而可以检测拉索1000C上的张力。

图7所示为膝关节角度传感器1004B剖面示意，所述膝关节角度传感器1004B包括第二磁体1004B1、第二磁场感应电路1004B2，所述第二磁体1004B1固定在所述大腿杆1000D上，所述第二磁场感应电路1004B2与所述膝关节转盘1000B固连，大腿杆1000D和膝关节转盘1000B之间相对转动可以带动所述第二磁体1004B1和第二磁场感应电路1004B2相对转动，从而可以感测出大腿杆1000D、小腿杆1000E之间相对角度变化。

图8所示为髋关节1000G剖面示意，所述髋关节1000G内包括髋关节角度传感器1004C，其包括第二磁体1004C1、第二磁场感应电路1004C2，其结构和膝关节角度传感器1004B类似，可以感测所述腰部连接段1000F和所述大腿杆1000D之间相对的角度变化。

所述大腿惯性传感器1004D和小腿惯性传感器1004E分别固定在大腿杆1000D和小腿护壳1004E上，其分别感测穿戴者大腿和小腿的运动。

所述小腿杆1000E可以直接延时至人体脚踝处，所述小腿上绑带1003D、小腿下绑带1003F可以直接联接小腿杆1000E，取消小腿护壳1003E，也可以达到相同效果。

实施例1：一种轻便助力设备，如图9-10所示，包括动力系统1000、能源系统1001、控制系统1002、人机连接1003以及运动传感系统1004。所述动力系统为上面所述的拉索驱动动力系统；所述控制系统控制所述拉索驱动动力系统的拉索张紧或放松，从而控制穿戴者下肢伸展或弯曲。

所述动力系统1000包括本发明紧凑型拉索动力驱动装置1000A、膝关节转盘1000B、拉索1000C、大腿杆1000D、小腿杆1000E、腰部连接段1000F、髋关节1000G；所述腰部连接段1000F与所述大腿杆1000D通过髋关节1000G旋转连接，所述大腿杆1000D与所述小腿杆1000E通过动力膝关节1000B旋转连接，所述动力驱动装置1000A固定在所述大腿杆上，通过所述拉索1000C与所述膝关节转盘1000B动力连接。

所述人机连接包括腰部绑带1003A、大腿上绑带1003B、大腿下绑带1003C、小腿上绑带1003D、小腿护壳1003E以及小腿下绑带1003F，所述腰部绑带1003A与腰部连接段1000F上端固定联接，所述大腿上绑带1003B、大腿下绑带1003C与大腿杆1000D联接，所述小腿护壳1003E与所述小腿杆1000E传动联接，所述小腿上绑带1003D、小腿下绑带1003F与小腿护壳1003E联接；在穿戴使用时，所述腰部绑带1003A、大腿上绑带1003B、大腿下绑带1003C、小腿上绑带1003D、小腿护壳1003E以及小腿下绑带1003F分别与人体腰部、大腿及小腿固定。

所述能源系统1001为电池，其为所述控制系统1002、动力驱动装置1000A以及运动传感系统1004供电；所述控制系统1002包括处理器、存储器及通信接口，其连接动力驱动装置1000A以及运动传感系统1004，对采集到的传感器数据进行采集处理，并控制所述动力驱动装置1000A内电机转动；所述运动传感系统1004包括拉索张力传感器1004A、膝关节角度传感器1004B、髋关节角度传感器1004C、大腿惯性传感器1004D和小腿惯性传感器1004E。

所述轻便助力装置工作原理如下：所述控制系统1002不断采集所述运动传感系统1004传感器的数据，并据此判断穿戴者下肢当前所处的状态，所述状态包括触地、支撑、弯曲摆动以及伸展摆动等，所述控制系统1002根据这些状态驱动所述动力装置1000A工作在不同的助力状态，所述助力状态包括跟随摆动、高阻尼态、弹簧助力态、低阻尼助力态以及低阻尼态，从而帮助穿戴者缓冲关节冲击力、支撑身体重量、收腿以及摆动，达到助力效果。

实施例2，如图11至图12所示，与实施例1相比，实施例2将拉索动力驱动装置1000A设置于穿戴者腰部，在所述髋关节1000G处设置一个惰轮，所述拉索1000C在髋关节1000G处绕过所述惰轮联接膝关节转盘1000B，从而为穿戴者提供动力；如图所示，所述拉索1000C从所述惰轮后侧绕过，这样当所述拉索1000C张紧时，会对所述髋关节1000G产生扭矩使得所述大腿杆1000D相对于所述腰部连接段1000F向后摆动，有利于推动穿戴者前进，从而使髋关节1000G成为动力关节。实施例2所述方案将所述拉索动力驱动装置1000A设置于穿戴者腰部，减轻了穿戴者腿部重量，且更加贴身舒适，穿戴体验更好，且更为重要的是，产生了驱动穿戴者向前运动的动力。

另外，与实施例1相比，实施例2多了足底薄膜压力传感器(或足踏开关)1004F，设置于穿戴者足部下方，且电连接所述控制系统1002；当穿戴者足部触地，穿戴者自身的重量将在薄膜压力传感器(或足踏开关)1004F产生压力，从而所述薄膜压力传感器(或足踏开关)1004F可以感知，通过设置压力门限值，所述控制系统1002可以判断穿戴者足部是否触地。

为提高人体穿戴的舒适度，本实施例的大腿杆1000D、小腿杆1000E均向内弯曲或者采用贴合穿戴者腿部的壳体结构以更好贴合穿戴者腿部，所述大腿上绑带1003B后部、大腿下绑带1003C前部及小腿护壳1003E均采用轻质硬质材料制作以便于传导力矩，其均带有弧度以适应人体大小腿形状，穿戴体验佳。

实施例3，如图13所示，与实施例2相比，实施例3在所述髋关节1000G处未设置惰轮，所述拉索1000C从穿戴者腰部直接连接所述膝关节转盘1000B，由于所述拉索1000C采用鲍登线，可以在传递拉力的时候允许外壳有弯曲和摆动，因此可以在穿戴腿部行走的同时传递动力。实施例3相比实施例2简化了结构，其特别适合传递拉力较小的情况；当拉索拉力较大的时候，所述拉索1000C外壳比较坚硬，难以弯曲，无法满足人体下肢行走的需求。

图9至图13所示仅为单腿穿戴的情况，本发明所述轻便助力装置可以单腿使用，也可以双腿使用，双腿使用时另一侧腿的结构类似，不再赘述。

如图14至图18为助力设备的控制方法图纸。

助力设备的控制方法的总控制方法如图14所示，包括以下步骤：

步骤一、所述控制系统根据所述运动传感系统1004测量值判断穿戴者足部是否处于触地状态，如果是则转步骤二，否则转步骤三；

步骤二、所述控制系统1002控制所述拉索动力装置1000A收缩拉索1000C，直到所述拉索张力传感器1004A感测到拉索张力达到设定值；转步骤一；

步骤三、所述控制系统1002控制所述拉索动力装置1000A伸出拉索1000C，直到所述拉索张力传感器感1004A测到拉索张力为零，转步骤一。

具体的，步骤S1：所述控制系统1002采集所述运动传感系统1004传感器的数据，包括膝关节角度传感器1004B、小腿惯性传感器1004E、编码器装置4、足底薄膜压力传感器1004F的测量值，并据此判断穿戴者足部是否触地；判断穿戴者是否触地有很多方法，其中，惯性传感器1004E是否感测到触地冲击且膝关节角度变化率较大，判断是否离地基于惯性传感器1004E是否感测到向上加速度且膝关节角度变化率较大。

步骤S2：如果触地则转向步骤S3，否则转向步骤S5。

步骤S3：设定拉索张力目标值，所述张力目标值对应助力设备要提供给穿戴者提供的助力目标；所述助力目标设定有很多算法，其中一种算法是根据当前姿态处于步态周期的百分比即步态百分比来设置，例如可以采用如图17所示与所述步态百分比的对应关系来设置助力设定值。

步骤S4：控制拉索张紧使得拉索张力达到设定目标值，然后转向步骤S1；所述控制方法可以采用闭环反馈的方法，其控制过程如图15所示，控制算法可以采用常用的PID、模糊控制、滑膜变结构控制等算法。

步骤S5：设定拉索松弛长度目标值，所述松弛长度目标值越大，则所述拉索越松弛，则允许穿戴者腿部伸缩与拉索伸缩的偏差越大，对于拉索驱动要求越低，但张紧其所需要的时间越长，触地后给助力延时大，反之则对拉索驱动要求高、张紧所需时间短、触地后给助力及时性好。为此，所述松弛长度目标值可以是固定值，例如为膝关节转盘1000B周长的1/3；或者是一个随着步态百分比而变化的值，例如可以采用如图18所示的与所述步态百分比的对应关系来设置松弛长度目标值，这样可以兼顾以上所述拉索驱动要求与助力及时性的矛盾。

步骤S6：控制拉索松弛使得拉索松弛长度达到设定目标值，然后转向步骤S1；所述拉索的松弛长度可以通过所述膝关节角度传感器1004B以及所述编码器装置4测量值计算，其计算方法如图17所示。控制所述拉索松弛长度的控制方法采用闭环控制的方法，即拉索驱动装置1000A驱动拉索1000C跟随所述膝关节角度传感器1004B伸出或收缩，其控制过程如图17所示，控制算法可以采用常用的PID、模糊控制、滑膜变结构控制等算法。

所述步骤S1中，判断穿戴者足部是否处于触地状态时，所述控制系统根据运动传感系统的惯性传感器、拉索张力传感器、膝关节角度传感器测量值的一种或多种组合判断穿戴者足部是否触地；判断触地的方法包括惯性传感器加速度值门限法、惯性传感器倾角门限法、拉索张紧试探惯性传感器反馈法或其组合。

判断所述穿戴者足部是否处于触地状态的实现方法有很多，其中一种实现方法为：设置触地标志位，当发生触地事件，设置触地标志为触地，当发生离地事件，设置触地标志为离地。

所述触地事件计算方法为以下多个条件组合：

条件一、离地标志为离地；

条件二、小腿杆上惯性传感器1004E检测到加速度值超过设定值；

条件三、膝关节角度传感器1004B测量值变化率大于设定值；

所述离地事件为以下多个条件组合：

条件一、当触地标志为触地；

条件二，小腿杆上惯性传感器1004E检测到加速度值超过设定值；

条件三、膝关节角度传感器1004B测量值变化率大于设定值。

所述步骤S4中拉索张力控制方法示例如图15所示，包括以下步骤：

步骤S41：读取拉索张力传感器1004A测量值，计算其与设定目标值之差Ferr；

步骤S42：判断所述拉索张力传感器1004A测量值是否小于设定的目标值，即Ferr是否小于0，如果不是则转步骤S44；

步骤S43：控制拉索驱动装置1000A增大张力，可以根据Ferr对应加大电机1驱动电流以增大拉索1000C张力，Ferr与电流增加值Ip可以采用PID、模糊控制等算法；

步骤S44：判断所述张力传感器1004A测量值是否大于设定的目标值，即Ferr是否大于0，如果不是则转步骤S41；

步骤S45：控制拉索驱动装置1000A减小张力，可以根据Ferr对应减小电机1驱动电流以减小拉索张力，Ferr与电流减小值In可以采用PID、模糊控制等算法；转步骤S41。

所述步骤S6中拉索长度控制方法示例如图16所示，包括以下步骤：

步骤S60：收紧拉索1000C，记录膝关节角度传感器1004B及编码器4测量值，设置此时拉索长度为L0；

步骤S61：读取膝关节角度传感器1004B和编码器4测量值，计算拉索1000C长度L；

步骤S62：计算拉索1000C松弛长度δL＝L-L0，计算拉索松弛长度δL与设定目标值之差Lerr；

步骤S63：判断所述拉索松弛长度δL是否小于设定的目标值，即Lerr是否小于0，如果不是则转步骤S65；

步骤S64：控制拉索驱动装置1000A放松拉索，可以根据Lerr值对应加快电机1转速以加快放松拉索，Lerr与转速增加值Vp可以采用PID、模糊控制等算法；

步骤S65：判断所述拉索松弛长度是否大于设定的目标值，即Lerr是否大于0，如果不是则转步骤S61；

步骤S66：控制拉索驱动装置1000A张紧拉索，可以根据Lerr对应减慢电机1转速或以反方向加快转动，Lerr与转速减小值Vn可以采用PID、模糊控制等算法；转步骤S61。

本实施例的下肢轻便助力装置结构轻便、紧凑贴身、集成度高，采用本发明的拉索驱动动力装置作为动力的下肢助力装置，能够为穿戴者膝关节以及髋关节提供助力，增强穿戴者运动能力；同时，将重量较大的电机、减速机上移至腰部或髋关节附近，大大减小了腿部的惯量，腿部更加轻便，从而可以使得穿戴者在使用本发明装置时动作更为灵活敏捷；本发明助力装置可以测量的信息多，包括关节扭矩、关节角度，大小腿杆角速度、加速度，其控制系统可以实施更为精确灵活的控制。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (21)

1.一种拉索驱动动力装置，其特征在于，包括动力件，联接于动力件动力输出端的减速机构及联接于减速机构输出端的拉索驱动机构；所述动力件的动力通过减速机构减速后，再通过拉索驱动机构将动力输出。

2.根据权利要求1所述的一种拉索驱动动力装置，其特征在于，所述动力件为电机，包括定子外壳及转子；所述定子外壳呈凹腔结构，容纳所述转子，且转子与减速机传动联接；所述转子旋转联接于定子外壳的凹腔内。

3.根据权利要求2所述的一种拉索驱动动力装置，其特征在于，所述定子外壳中心设有定子环状凸起，且所述定子环状凸起中心设有定子中心通孔；所述定子线圈固定于所述定子外壳凹腔内；所述转子中心设有转子环状凸起，且所述转子环状凸起中心设有转子中心通孔；所述转子环状凸起旋转联接于定子环状凸起的外侧或内侧。

4.根据权利要求3所述的一种拉索驱动动力装置，其特征在于，所述减速机构包括钢轮、旋转轮及减速发生器；所述减速发生器与动力件的动力输出端固定联接；所述钢轮为圆环结构，所述减速发生器于其内侧旋转运动；所述旋转轮设于减速器与钢轮之间，且与拉索驱动机构传动联接；所述旋转轮旋转联接于钢轮的空腔内壁。

5.根据权利要求4所述的一种拉索驱动动力装置，其特征在于，所述减速机构还包括钢轮连接板；所述钢轮固定于钢轮连接板内腔，钢轮连接板与定子外壳固定联接。

6.根据权利要求5所述的一种拉索驱动动力装置，其特征在于，所述拉索驱动机构包括拉索驱动轮；所述拉索驱动轮旋转联接于钢轮连接板；所述拉索驱动轮直接或通过设有的旋转轮连接板与旋转轮固定联接，以使旋转轮驱动拉索驱动轮转动；所述拉索驱动轮外侧设有用于缠绕拉索的拉索驱动轮凹槽。

7.根据权利要求6所述的一种拉索驱动动力装置，其特征在于，还包括编码器机构；所述编码器机构包括中心梁、第一磁体和第一磁场感应电路；所述中心梁固定于定子外壳的定子中心通孔，且穿过所述减速发生器设有的内孔，并延伸至旋转轮内腔；所述第一磁体固定于减速发生器上，且朝向旋转轮内腔；所述第一磁场感应电路固定于中心梁上，且靠近于第一磁体；

或，

还包括编码器机构；所述编码器机构包括中心梁、第一磁体和第一磁场感应电路；所述中心梁通过定子中心通孔延伸至旋转轮内腔；所述中心梁的內端与减速发生器固定联接，外端延伸至定子外壳边缘，且第一磁体固定于外端；所述第一磁场感应电路固定于定子中心通孔外侧，且近于第一磁体。

8.一种拉索驱动动力系统，其特征在于，包括权利要求1—7任一项所述的动力装置，大腿杆及小腿杆；所述动力装置固定于大腿杆上端、穿戴者腰部或背部；所述大腿杆下端旋转联接有膝关节转盘，且所述膝关节转盘通过设有的拉索与动力装置传动联接；所述小腿杆固定于膝关节转盘，或小腿杆与膝关节转盘为一体结构；所述动力装置驱动拉索放出或收回，以使拉索处于松弛状态或张紧状态；所述拉索处于松弛状态时，小腿杆相对于大腿杆自由转动；所述拉索处于张紧状态时，所述小腿杆相对于大腿杆伸展。

9.根据权利要求8所述的一种拉索驱动动力系统，其特征在于，所述大腿杆或钢轮连接板及其延伸机构上设有拉索张力传感器；所述拉索张力传感器包括应变梁、应变片以及惰轮；所述应变梁一端固定于所述大腿杆或钢轮连接板及其延伸机构上，另一端与所述惰轮旋转联接；所述应变片紧贴在所述应变梁上，所述拉索挤压于惰轮；所述拉索张紧时挤压所述惰轮，进而应变梁使产生形变，所述形变由所述应变片感应。

10.根据权利要求8所述的一种拉索驱动动力系统，其特征在于，还包括膝关节角度传感器；所述膝关节角度传感器包括第二磁体和第二磁场感应电路；所述第二磁体与所述第二磁场感应电路分别固定于大腿杆或其延伸结构上以及膝关节转盘或其延伸结构上，或者分别固定于所述膝关节转盘或其延伸结构以及大腿杆或其延伸结构上；所述第二磁场感应电路靠近所述第二磁体。

11.一种轻便助力设备，包括动力系统、能源系统、控制系统、人机连接以及运动传感系统，其特征在于，所述动力系统为权利要求8-10任一项所述的拉索驱动动力系统；所述控制系统通过控制所述拉索驱动动力系统的动力装置，以使拉索的张紧或放松，从而控制穿戴者下肢伸展或自由转动；所述运动传感系统与控制系统电性连接。

12.根据权利要求11所述的一种轻便助力设备，其特征在于，所述人机连接包括腰部绑带、大腿绑带、小腿绑带，且分别与穿戴者腰部、大腿及小腿相应位置固定；还包括腰部连接段，且所述腰部连接段上端与腰部绑带固定联接，其下端与大腿杆上端旋转联接；所述大腿绑带与所述大腿杆固定联接，所述小腿绑带与小腿杆固定联接。

13.根据权利要求11所述的一种轻便助力设备，其特征在于，所述拉索动力驱动装置设置于穿戴者腰部或背部，并于所述髋关节处设置惰轮；所述拉索绕于所述惰轮，并且其下端与膝关节转盘联接。

14.根据权利要求11-13所述的任一种轻便助力设备，其特征在于，所述运动传感系统包括所述膝关节角度传感器；

或还包括髋关节角度传感器；所述髋关节角度传感器设置于所述腰部连接段与大腿杆旋转联接处，以测量所述大腿杆与所述腰部连接段相对角度；

或/和，

所述运动传感器系统还包括足薄膜底压力传感器或足踏开关，用以感知穿戴者足部是否触地；所述足薄膜底压力传感器或足踏开关设置于穿戴者的足部下方；

或/和，

所述运动传感系统还包括若干惯性传感器，联接所述大腿杆、小腿杆、大腿绑带、小腿绑带或其任意一种组合上，用以感知穿戴者腿部运动角速度和/或加速度。

15.根据权利要求11-13所述的一种轻便助力设备，其特征在于，所述能源系统为电池组；所述控制系统包括处理器、存储器及通信接口；所述能源系统为所述控制系统及动力系统内动力件和运动传感系统供电，所述控制系统电连接所述动力系统及运动传感系统，其根据所述动力系统及运动传感系统内传感器测量的信息判断穿戴者当前的步态，并驱动动力装置工作在跟随转动、给定力矩输出、低阻尼、高阻尼或弹簧状态。

16.一种助力设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、所述控制系统根据所述运动传感系统测量值判断穿戴者足部是否处于触地状态，如果是转至步骤二，否则转至步骤三；

步骤二、所述控制系统控制所述拉索驱动装置收缩拉索，直到所述拉索张力传感器感测到拉索张力达到设定值；转至步骤一；

步骤三、所述控制系统控制所述拉索驱动装置伸出拉索，直到所述拉索张力传感器测到拉索张力为零或其长度达到设定值，转至步骤一。

17.根据权利要求16所述的一种助力设备的控制方法，其特征在于，所述步骤一，所述控制系统根据运动传感系统的惯性传感器、髋关节角度传感器、拉索张力传感器、膝关节角度传感器测量值的一种或多种组合判断穿戴者足部是否触地；判断触地的方法包括惯性传感器加速度值门限法、惯性传感器倾角门限法、拉索张紧传感器反馈法或其组合。

18.根据权利要求17所述的一种助力设备的控制方法，其特征在于，设置触地标志或离地标志，当发生触地事件，设置触地标志为触地，当发生离地事件，设置离地标志为离地；

所述触地事件包括以下一个或多个条件组合：

条件一、触地标志为触地；

条件二、设置于小腿杆上惯性传感器检测到加速度值超过设定值；

条件三、膝关节角度传感器测量值变化率大于设定值；

所述离地事件包括以下一个或多个条件组合：

条件一、当离地标志为离地；

条件二，设置于小腿杆上惯性传感器检测到加速度值超过设定值；

条件三、膝关节角度传感器测量值变化率大于设定值。

19.根据权利要求16所述的一种助力设备的控制方法，其特征在于，所述步骤一，当所述足底压力传感器大于设定阈值或所述脚踏开关为断开时，则判断所述穿戴者足部处于触地状态，否则处于离地状态。

20.根据权利要求16所述的一种助力设备的控制方法，其特征在于，所述步骤二，控制拉索收紧直到张力达到设定值，比较所述张力传感器测量值和设定值，采用反馈控制算法不断控制所述拉索达到设定目标，所述反馈控制算法包括PID、模糊PID、滑膜控制中至少一个。

21.根据权利要求16所述的一种助力设备的控制方法，其特征在于，所述步骤三，控制拉索为松弛状态，此时张力传感器测量值为零，根据所述膝关节角度传感器测量值和/或髋关节角度传感器测量值控制所述拉索驱动装置与所述关节转盘线速度旋转，使得所述拉索松弛程度保持不变，所述控制算法包括PID、模糊PID、滑膜控制中至少一个。

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