CN111107820B - 一种用于矫正步态的下肢外骨骼机器人及其感测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于矫正步态的下肢外骨骼机器人，其包括：髋关节机构(1)、左腿机构(4)、右腿机构(5)、第一连接机构(2)和第二连接机构(3)；所述髋关节机构(1)位于左腿机构(4)和右腿机构(5)之间，髋关节机构(1)的两端分别对应的连接第一连接机构(2)和第二连接机构(3)，且通过第一连接机构(2)将髋关节机构(1)的一端与左腿机构(4)可拆卸地连接，通过第二连接机构(3)将髋关节机构(1)的另一端与右腿机构(5)可拆卸地连接。

Description

一种用于矫正步态的下肢外骨骼机器人及其感测方法

技术领域

本发明属于康复医疗器械的技术领域，具体涉及一种用于矫正步态的下肢外骨骼机器人及其感测方法。

背景技术

近年来，下肢外骨骼机器人以其能够为人体提供额外的动力，增强人类的运动机能，在多个领域发挥着重要作用，特别是康复领域的应用。

对于康复用的下肢外骨骼机器人，现有技术提到的各种设计思想主要包括两个方面：第一，自由度的放置与安排、主动与被动关节的设置，可以使穿戴者走路更加自然；第二，如何让穿戴者在使用外骨骼的同时摆脱束缚，以实现更加自然的行走。

其中，对于上述第一方面，关于下肢外骨骼机器人所具有的主动自由度和被动自由度、主动关节和被动关节及其各自所处的位置，目前现有的下肢外骨骼机器人通常是一个关节具有一个主动自由度(Degree of Freedom，简称“DOF”)。例如，对于每个踝关节、膝关节和髋关节都会有一个对应的主动旋转自由度；但是，现有的外骨骼机器人并没有给踝关节设计主动旋转自由度，而是通过给踝关节设计被动自由度来代替主动旋转自由度。因此，现有的下肢外骨骼机器人通常具有6个自由度：两个膝关节和两个髋关节所具有的4个分别由对应的电机驱动的主动旋转自由度，两个踝关节对应的2个被动自由度。或者，甚至没有踝关节。

目前，市场上采用LOKOMAT康复下肢外骨骼机器人对穿戴者进行步态矫正，新型的LOKOMAT康复下肢外骨骼机器人具有7个自由度：两个膝关节和两个髋关节所具有的4个分别由对应的电机驱动的主动旋转自由度，两个踝关节对应的2个被动自由度。另外，LOKOMAT康复骨骼机器人还有一个额外的主动关节，用于提供上/下运动，使穿戴者的步态轨迹接近自然步行。其中，所述上/下运动方向具体为图2所示的Z轴方向。但是，LOKOMAT康复外骨骼机器人造价高、难移动、需要对每一个不同的患者进行重新设定，所占空间较大，无法使穿戴者的步态轨迹更接近正常人的步态轨迹。

另外，现有的下肢外骨骼机器人还包括若干不同类型的传感器，需被安装在穿戴者身上或者被安装在外骨骼上，用以感测穿戴者的运动状态或者预测穿戴者的行动意向。目前，有些传感器(如EMG)需要以直接接触的形式被黏贴在穿戴者的身上。但是，这种类型的每个传感器的穿戴过程繁琐耗时；同时，除了穿戴的方式会使穿戴者感到不适之外，在感测同一穿戴者的多次穿戴使用和不同的穿戴者的使用时，都难以保持采集到同一动作的数据的一致性；其他类型的传感器则被安装成通过穿戴者的躯干、四肢直接按压或通过外部的机构间接按压的形式来感测。

举例来说，使用生物肌电信号(Electromyography，简称“EMG”)传感器，即EMG传感器；通过其与穿戴者的大腿或小腿特定位置的皮肤直接接触，以产生肌肉运动信号；然后，肌肉的机械运动被EMG传感器转换成电信号，然后可以用来感测穿戴者的运动状况和可能发生的痉挛。但是，由于放置EMG传感器的确切位置因人而异，因此，需要专业知识和经验来判定。此外，由于EMG传感器的信号的稳定性极易受到噪声的影响，因此，需要专门的信号放大器以及昂贵的高级计算机进行信号处理，来消除工作过程中收集到的噪声,并排除信号不稳定的因素(例如，皮肤的电导和电极位置的变化。)，也因此使得成本增加。此外，表面EMG传感器的信号容易受到穿戴者的汗液影响，并且不能对包含肌肉疲劳因素在内的肌肉力量进行可靠的估计。

此外，脑电信号(Electroencephalography，简称“EEG”)传感器的穿戴方式，即EEG传感器，通过像帽子一样附着在头皮上的电极，来获得人脑的脑电活动信息。类似于EMG传感器，EEG传感器产生的电信号也能够用于感测穿戴者的运动状况和可能发生的痉挛。但是，其也存在着和EMG传感器相似的问题：放置EEG传感器的确切位置因人而异，需要专业知识和经验来判定。此外，EEG在使用过程中还存在着诸多缺陷：因运动信号源不在脑皮层导致的测定受限；而且对于实时应用而言，信号处理速度相对较慢。此外，对于穿戴者来说，首先要对穿戴者进行训练，使穿戴者知道如何集中注意力，从而产生有意义的信号，操作复杂且要求较高。这使得穿戴者在控制外骨骼机器人行动时无法思考其他事情。除了上述非侵入性的方法，还有侵入性的方法，即使用电子元件连接到穿戴者的神经元，获取控制信号。但是，上述侵入性方法在控制假肢方面更为常见。为了实现这一点，手术是不可避免的。对于穿戴者，尤其对于仅需要暂时性康复训练的穿戴者来说，是不适合使用的。

基于上述生物传感器及侵入式的感测方法在预测穿戴者的行动意图时存在的问题和缺陷，有些研究开始探索使用生物力学传感器，其包括：力/力矩传感器，压力传感器，编码器，惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，简称“IMU”)，陀螺仪，倾斜仪等等。通过生物力学传感器，从通过穿戴者的机械运动转换过来的电信号可以单独一个传感器或许多传感器共同用于感测穿戴者的运动状况和可能发生的痉挛情况。尽管使用生物力学传感器可以避免生物电传感器的一些问题，但是为了预估用户的行动意图，这些传感器仍然需要通过被穿戴者推动、按压或佩戴的方式与穿戴者直接接触，同时需要做相关的信号处理并开发相关的判断算法。由于传感器需要被推动或者被按压来产生信号，因此，传感器和线材都容易磨损。

发明内容

本发明的目的在于，为了解决现有的下肢外骨骼机器人和现有的感测方法存在上述问题，为了使康复运动轨迹更接近自然人的步行轨迹，避免过度复杂的设计，本发明提供一种用于矫正步态并且能感测穿戴者的运动状况和可能发生的痉挛情况的下肢外骨骼机器人，该下肢步态康复外骨骼机器人为紧凑型机构，允许穿戴者穿自己的鞋子，为患者在生理上提供高度重复的步态训练的康复用下肢外骨骼机器人；另外，所述下肢步态康复外骨骼机器人用于矫正穿戴者下肢的步态，以及感测穿戴者的下肢是否有痉挛的情况发生以及感测穿戴者是否有要加快或减慢运动速度的意向。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于矫正步态的下肢外骨骼机器人，所述下肢外骨骼机器人包括：髋关节机构、左腿机构、右腿机构、第一连接机构和第二连接机构；所述髋关节机构位于左腿机构和右腿机构之间，髋关节机构的两端分别对应的连接第一连接机构和第二连接机构，且通过第一连接机构将髋关节机构的一端与左腿机构可拆卸地连接，通过第二连接机构将髋关节机构的另一端与右腿机构可拆卸地连接。其中，

所述髋关节机构进一步包括：前板、后板、第一旋转马达、两个固定板、三个口字型框架、弹簧、若干连接杆和若干拉力弹簧；前板和后板相对放置，在前板和后板的中部分别安装固定板；若干连接杆固定安装在前板和后板的上端、下端、左端、右端的每一个端部的两侧，且每一个连接杆均位于前板和后板之间，并均垂直于前板和后板，并通过若干拉力弹簧将前板和后板的左端、右端的相邻的两个连接杆连接，形成一个八边形结构；在八边形结构的上端和下端分别安装一个第一固定板；所述八边形结构内的中部竖直安装口字形框架，并在其两侧再分别对称地竖直放置一口字形框架，三个口字形框架之间等间距设置，且通过若干弹簧将相邻的两个口字形框架连接；导向杆安装在八边形结构的轴向方向上，且贯穿八边形结构的两侧；其中，所述八边形结构内，位于中部的口字形框架的中部安装第一旋转马达，第一旋转马达沿轴线方向穿过前板和后板，并通过固定板进行固定。其中，在导向杆12的靠近左、右两端的端部上对称地安装水平向外管轴承支架。

在上述技术方案中，所述前板包括：第一竖直工字形框架和第一水平工字形框架；所述第一竖直工字形框架和第一水平工字形框架相互垂直、交叉，且呈十字形结构。

在上述技术方案中，所述后板包括：第二竖直工字形框架和第二水平工字形框架；所述第二竖直工字形框架和第二水平工字形框架相互垂直、交叉，且呈十字形结构。

在上述技术方案中，所述导向杆为中空结构，且所述导向杆内还设有一调节内管。

在上述技术方案中，所述第一旋转马达位于前板的中部和后板的中部之间，且安装在位于中部的口字形框架内的中部。

在上述技术方案中，所述髋关节机构通过拉力弹簧和弹簧调节穿戴者的髋部的上下、左右、滚动三个方向上的运动状态与运动范围；其中，上下运动的运动范围为±4cm，左右运动的运动范围为±4cm，滚动运动的运动范围为±4°。另外，通过结合悬挂支架和悬挂吊带，所述髋关节机构还可以实现在偏航方向上的运动调节，其中，偏航方向的运动范围为±4°。所述髋关节机构具有上下运动的主动自由度、左右运动的被动自由度、滚动运动的主动自由度和偏航方向上摆动的被动自由度。

所述第一连接机构包括：第一基板、若干第一基座，第一U形固定装置，第一直流电流传感器，若干第二U形固定装置，第一接头机构、第一马达、减速器转换接头和马达减速器；

第一基板的底部安装第一U形固定装置，第一马达安装在第一U形固定装置上；第一基板上并行安装两个第一基座；第一直流电流传感器的一端顺次连接马达减速器、减速器转换接头，并将减速器转换接头、马达减速器、第一直流电流传感器置于两个第一基座上，并通过第二U形固定装置进行固定；减速器转换接头与第一接头机构连接；其中，导向杆的一端穿过第一U形固定装置，并与第一马达连接。其中，所述第一接头机构具体包括：L形连接支架、90度马达转接头、马达转接头罩、90度马达转接头盖板、轴承和连接支架盖板；90度马达转接头放置在L形连接支架上，且90度马达转接头的一端与L形连接支架的竖直端固定；90度马达转接头盖板通过固定螺丝固定在90度马达转接头的另一端，并与轴承、连接支架盖板连接；马达转接头罩通过固定螺丝盖在90马达转接头上。其中，90度马达转接头盖板的右侧上设有凸起，将轴承套在该凸起上，连接支架盖板上设有一孔，该凸起穿过该孔，并通过固定螺丝进行固定。

所述第二连接机构的结构与第一连接机构的结构相同，具体包括：第二基板、若干第二基座，第三U形固定装置，第二直流电流传感器，若干第四U形固定装置，第二接头机构、第二马达、减速器转换接头和马达减速器；第二基板的底部安装第三U形固定装置，第二马达安装在第三U形固定装置上；第二基板上并行安装两个第二基座；第二直流电流传感器的一端顺次连接马达减速器、减速器转换接头，并将减速器转换接头、马达减速器、第二直流电流传感器置于两个第二基座上，并通过第四U形固定装置进行固定；减速器转换接头与第二接头机构连接。其中，导向杆的一端穿过第三U形固定装置，并与第二马达连接。其中，所述第二接头机构的结构与第一接头机构的结构相同，具体包括：L形连接支架、90度马达转接头、马达转接头罩、90度马达转接头盖板、轴承和连接支架盖板；90度马达转接头放置在L形连接支架上，且90度马达转接头的一端与L形连接支架的竖直端固定；90度马达转接头盖板通过固定螺丝固定在90度马达转接头的另一端，并与轴承、连接支架盖板连接；马达转接头罩通过固定螺丝盖在90马达转接头上。其中，90度马达转接头盖板的右侧上设有凸起，将轴承套在该凸起上，连接支架盖板上设有一孔，该凸起穿过该孔，并通过固定螺丝进行固定。

所述左腿机构进一步包括：左大腿子机构，左膝盖子机构，左小腿子机构和左脚子机构；左大腿子机构的一端垂直固定在第一接头机构的底部，其另一端则通过左膝盖子机构与左小腿子机构的一端连接，左小腿子机构的另一端与左脚子机构垂直连接；其中，左大腿子机构与左小腿子机构位于同一纵向轴线上。

所述左大腿子机构为可以调节任意长度的铝管；左大腿子机构的一端通过铰链与第一接头机构的底部垂直连接。

所述左膝盖子机构包括：第三基座、第三马达、第三直流电流传感器和第一铰链；第一铰链固定安装在第三基座的下方，所述第三马达横穿过第一铰链，并安装在其上；第三直流电流传感器安装在第三马达上，用于驱动第三马达，从而驱动左小腿子机构摆动。

所述左小腿子机构为可以调节任意长度的铝管，左小腿子机构的一端通过第一铰链与左膝盖子机构垂直连接。

所述左脚子机构包括：第四基座、第二铰链、第四马达、第四直流电流传感器、第一直角角码和第一U形卡扣；左小腿子机构的另一端垂直固定在第四基座上，第二铰链固定安装在第四基座的下方，第四马达横穿过第二铰链，并安装在其上；第四直流电流传感器安装在第四马达上，用于驱动第四马达，从而驱动左脚子机构摆动；第一直角角码与第二铰链垂直连接，第一U形卡扣安装在第一直角角码上，且与水平地面平行。

所述第一U形卡扣包括：第一半U形条、第二半U形条和若干橡胶条；所述第一半U形条的底部与第二半U形条的底部通过锁定装置将二者固结在一起，形成U形结构；第一半U形条的内侧与第二半U形条的内侧均对称安装若干橡胶条，通过在二者的内侧等间距设置螺丝，将橡胶条固定在U形结构上。

所述右腿机构进一步包括：右大腿子机构，右膝盖子机构，右小腿子机构和右脚子机构；右大腿子机构的一端垂直固定在第二接头机构的底部，其另一端则通过右膝盖子机构与右小腿子机构的一端连接，右小腿子机构的另一端与右脚子机构垂直连接；其中，右大腿子机构与右小腿子机构位于同一纵向轴线上。

所述右大腿子机构为可以调节任意长度的铝管；右大腿子机构的一端通过铰链与第二接头机构的底部垂直连接。

所述右膝盖子机构包括：第五基座、第五马达、第五直流电流传感器和第三铰链；第三铰链固定安装在第五基座的下方，所述第五马达横穿过第三铰链，并安装在其上；第五直流电流传感器安装在第五马达上，用于驱动第五马达，从而驱动右小腿子机构摆动。

所述右小腿子机构为可以调节任意长度的铝管，右小腿子机构的一端通过第三铰链与右膝盖子机构垂直连接。

所述右脚子机构包括：第六基座、第四铰链、第六马达、第六直流电流传感器、第二直角角码和第二U形卡扣；右小腿子机构的另一端垂直固定在第六基座上，第四铰链固定安装在第六基座的下方，第六马达横穿过第四铰链，并安装在其上；第六直流电流传感器安装在第六马达上，用于驱动第六马达，从而驱动右脚子机构摆动；第二直角角码与第四铰链垂直连接，第二U形卡扣安装在第二直角角码上，且与水平地面平行。

所述第二U形卡扣包括：第三半U形条、第四半U形条和若干橡胶条；所述第三半U形条的底部与第四半U形条的底部通过锁定装置将二者固结在一起，形成U形结构；第三半U形条的内侧与第四半U形条的内侧均对称安装若干橡胶条，通过在二者的内侧等间距设置螺丝，将橡胶条固定在U形结构上。

通过将每一个马达与对应的电流直流传感器集成在一起，或者将每一个电流直流传感器安装在对应的马达的旁边。由于各个电流直流传感器不需要直接与穿戴者接触，因此，有效避免了各个直流传感器的磨损和被线材所困扰。

基于上述下肢外骨骼机器人，本发明还提供了一种感测方法，通过分别实时监测第一旋转马达、第一马达、第二马达、第三马达、第四马达、第五马达、第六马达等所有的旋转马达的电流消耗来实现对穿戴者的肌肉痉挛的动态感测，以及感测穿戴者的运动状态；其中，第一旋转马达是安装在髋关节机构中的马达；所述运动状态包括：穿戴者是否抵制下肢外骨骼机器人的运动或者下肢外骨骼机器人是否阻止穿戴者提高运动速度。所述感测方法具体包括：

步骤1)采用组合动力学公式(1)和(2)，或者采用实验的方法获取任一马达在穿戴者使用下肢外骨骼机器人时对应的预期的时间-扭矩的轨迹图；其中，公式(1)和(2)为：

其中，θ是任一穿戴者和下肢外骨骼机器人的组合旋转角度变量向量集合，τ_m为穿戴者和下肢外骨骼机器人的组合马达扭矩，M(θ)是下肢外骨骼机器人与穿戴者合并的质量矩阵；

为任一穿戴者和下肢外骨骼机器人的组合下肢的独立关节的加速度变量；

为任一穿戴者和下肢外骨骼机器人的组合下肢的独立关节的速度参数，G(θ)为重力参数，

为扭矩误差；

τ_m＝τ_h+τ_e (2)

其中，τ_h为穿戴者的人体动力学的扭矩；τ_e为下肢外骨骼机器人的外骨骼动力学的马达扭矩；

步骤2)设置预期的时间-扭矩的轨迹图的痉挛上限门槛值，获得预期的时间-扭矩的痉挛上限轨迹图；再设置预期的时间-扭矩的轨迹图的痉挛下限门槛值，获得预期的时间-扭矩的痉挛下限轨迹图；

步骤3)根据公式(3)，将步骤1)的预期的时间-扭矩的轨迹图转换成预期的时间-电流消耗的轨迹图；将步骤2)中的预期的时间-扭矩的痉挛上限轨迹图转换成预期的时间-电流消耗的痉挛上限轨迹图；将步骤2)中的预期的时间-扭矩的痉挛下限轨迹图转换成预期的时间-电流消耗的痉挛下限轨迹图；其中，公式(3)为：

其中，τ_m’是任一马达预期的组合马达扭矩；K_m是任一马达自身的系数；

是任一马达的总磁通量；I为任一马达预期的电流消耗量；

步骤4)设置预期的时间-扭矩的轨迹图的运动意向上限门槛值，获得预期的时间-扭矩的运动意向上限轨迹图；设置预期的时间-扭矩的轨迹图的运动意向下限门槛值(89)，获得预期的时间-扭矩的运动意向下限轨迹图；

步骤5)根据公式(3)，将步骤4)的预期的时间-扭矩的运动意向上限轨迹图转换成预期的时间-电流消耗的运动意向上限轨迹图，获得预期的时间-电流消耗的运动意向上限门槛值；将步骤4)的预期的时间-扭矩的运动意向下限轨迹图转换成预期的时间-电流消耗的运动意向下限轨迹图，获得预期的时间-电流消耗的运动意向下限门槛值；

步骤6)操作下肢外骨骼机器人，做出一个完整的康复动作，下肢外骨骼机器人的任一马达会产生对应的电流消耗量，获得真实的时间-电流消耗的轨迹图；

实时的将真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量分别与预期的时间-电流消耗的痉挛上限轨迹图的电流消耗量、预期的时间-电流消耗的痉挛下限轨迹图的电流消耗量进行比较，根据比较结果，感测穿戴者的下肢是否有痉挛发生；

实时的将真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量分别与预期的时间-电流消耗的运动意向上限轨迹图的电流消耗量、预期的时间-电流消耗的运动意向下限轨迹图的电流消耗量进行比较，根据比较结果，感测穿戴者的运动意向。

作为上述技术方案的改进之一，所述步骤6)中，感测穿戴者的下肢是否有痉挛发生，具体包括：

如果真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量在预期的时间-电流消耗的痉挛上限轨迹图的电流消耗量和预期的时间-电流消耗的痉挛下限轨迹图的电流消耗量之间，则穿戴者的下肢没有出现肌肉痉挛；

如果真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量超出了预期的时间-电流消耗的痉挛上限轨迹图的电流消耗量或预期的时间-电流消耗的痉挛下限轨迹图的电流消耗量，则穿戴者的下肢出现了肌肉痉挛，下肢外骨骼机器人停止工作。

作为上述技术方案的改进之一，所述步骤6)中，感测穿戴者的运动意向，具体包括：

如果真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量在预期的时间-电流消耗的运动意向上限轨迹图的电流消耗量和预期的时间-电流消耗的运动意向下限轨迹图的电流消耗量之间，则穿戴者没有加快或减慢运动速度的意向；

如果真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量超出了预期的时间-电流消耗的运动意向上限轨迹图的电流消耗量或预期的时间-电流消耗的运动意向下限轨迹图的电流消耗量；则出现了穿戴者阻止加快或减慢运动速度的意向，需要降低或提高对应的马达的速度或扭矩；其中，

当真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量超出了预期的时间-电流消耗的运动意向上限轨迹图的电流消耗量，则需要降低对应的马达的速度或扭矩；

当真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量超出了预期的时间-电流消耗的运动意向下限轨迹图的电流消耗量，则需要提高对应的马达的速度或扭矩。

本发明的优点在于：

本发明减少了使用的传感器的数量，并避免了使用侵入式方法和传感器直接接触穿戴者；因此，本发明防止穿戴者直接与传感器接触而引起不适。本发明为外骨骼装置提供了一种新的能力，以动态地和实时地检测可能的肌肉痉挛以及穿戴者的运动状况。另外，使用了铰链和铝管套连旋转的组合，较之传统的所有关节焊死的问题，解决了关节万向旋转的技术难题；使用了合金铝管材料，较之传统的角铁，具有轻便，不生锈的特点。本发明的下肢外骨骼机器人的所有部件都是不生锈的材料，并通过螺丝拼接固定，一体形成。使用完毕之后，可整体或局部拆卸，并可清洗。较之传统方法不需要任何焊接、打磨工序、并且不限次使用；根据人体比例大小，随时更换角铝的长度，并组合成自己需要的比例，较传统的比例不可变有了质的飞跃。

附图说明

图1是本发明的一种用于矫正步态的下肢外骨骼机器人的结构示意图；

图2是图1的一种用于矫正步态的下肢外骨骼机器人的主视图；

图3是图2的C-C的局部放大图A；

图4是本发明的一种用于矫正步态的下肢外骨骼机器人的髋关节机构的结构示意图；

图5是图4的一种用于矫正步态的下肢外骨骼机器人的髋关节机构的主视图；

图6是本发明的一种感测方法的任一马达的时间-扭矩的轨迹图包含了痉挛与运动意向的时间-扭矩轨迹图；

图7是图6的任一马达的时间-电流消耗的轨迹图包含了痉挛与运动意向的时间-电流消耗轨迹图；

图8是下肢外骨骼机器人在站立的时候腿部和腰部水平线的示意图；

图9是下肢外骨骼机器人的腿在没有被动关节的情况下走路时抬腿的示意图；

图10是下肢外骨骼机器人的系统控制器结构图；

图11是本发明的一种用于矫正步态的下肢外骨骼机器人悬挂在悬挂支架上的结构示意图；

图12是本发明的一种用于矫正步态的下肢外骨骼机器人的第一连接机构的结构示意图。

附图标记：

1、髋关节机构 2、第一连接机构

3、第二连接机构 4、左腿机构

5、右腿机构 6、第一竖直工字形框架

7、第一水平工字形框架 8、拉力弹簧

9、第一固定板 10、口字形框架

11、第二水平工字形框架 12、导向杆

13、固定板 14、调节内管

15、第二竖直工字形框架 16、弹簧

17、第一旋转马达 18、连接杆

19、水平向外管轴承支架A 20、第一基板

21、第一基座 22、第一U形固定装置

23、第一马达 24、第二U形固定装置

25、第一接头机构 26、右腿侧向摆动轴

27、第二基板 28、第二基座

29、第三U形固定装置 30、第二马达

31、第四U形固定装置 32、第二接头机构

33、左腿侧向摆动轴 34、左大腿子机构

35、左膝盖子机构 36、左小腿子机构

37、左脚子机构 38、第三基座

39、第三马达 40、第三马达信号电源接点

41、第一铰链 42、第四基座

43、第二铰链 44、第四马达

45、第四马达信号电源接点 46、第一直角角码

47、第一半U形条 48、第二半U形条

49、橡胶条 50、右大腿子机构

51、右膝盖子机构 52、右小腿子机构

53、右脚子机构 54、第五基座

55、第五马达 56、第五马达信号电源接点

57、第三铰链 58、第六基座

59、第四铰链 60、第六马达

61、第六马达信号电源接点 62、第二直角角码

63、第三半U形条 64、第四半U形条

65、预期的恒定的时间-扭矩的痉挛上限门槛值

66、预期的时间-扭矩的轨迹图的痉挛上限门槛值

67、预期的时间-扭矩的痉挛上限轨迹图

68、预期的时间-扭矩的轨迹图；

69、预期的时间-扭矩的痉挛下限轨迹图

70、预期的时间-扭矩的轨迹图的痉挛下限门槛值

71、预期的恒定的时间-电流消耗的痉挛上限门槛值

72、预期的时间-电流消耗的轨迹图的痉挛上限门槛值

73、预期的时间-电流消耗的痉挛上限轨迹图

74、预期的时间-电流消耗的轨迹图

75、预期的时间-电流消耗的痉挛下限轨迹图

76、预期的时间-电流消耗的轨迹图的痉挛下限门槛值

77、穿戴者的髋部

78、穿戴者的右腿

79、穿戴者的左腿

80、减速器转换接头 81、马达减速器

82、L形连接支架 83、90度马达转接头

84、马达转接头罩 85、90度马达转接头盖板

86、轴承 87、连接支架盖板

88、预期的时间-扭矩的轨迹图的运动意向上限门槛值

89、预期的时间-扭矩的轨迹图的运动意向下限门槛值

90、预期的时间-扭矩的运动意向上限轨迹图

91、预期的时间-扭矩的运动意向下限轨迹图

92、预期的时间-电流消耗的运动意向上限门槛值

93、预期的时间-电流消耗的运动意向下限门槛值

94、预期的时间-电流消耗的运动意向上限轨迹图

95、预期的时间-电流消耗的运动意向下限轨迹图

具体实施方式

如图1和2所示，本发明提供了一种用于矫正步态的下肢外骨骼机器人，所述下肢外骨骼机器人包括：髋关节机构1、第一连接机构2、第二连接机构3、左腿机构4和右腿机构5；所述髋关节机构1位于左腿机构4和右腿机构5之间，髋关节机构1的两端分别对应的连接第一连接机构2和第二连接机构3，且通过第一连接机构2将髋关节机构1的一端与左腿机构4可拆卸地连接，通过第二连接机构3将髋关节机构1的另一端与右腿机构5可拆卸地连接起来。

如图4所示，所述下肢外骨骼机器人，在运动控制上一共具有7个主动自由度，包括：左腿机构4和右腿机构5中的左、右脚踝，左、右膝盖，左、右髋关节(即第一连接机构2和第二连接机构3)，以及第一旋转马达17提供的滚动运动。另外，所述外骨骼机器人还具有6个被动自由度：髋关节机构1通过8个拉力弹簧8和弹簧16调节穿戴者的髋部在上下、左右、滚动三个方向上的运动。通过悬挂吊带和悬挂支架，将悬挂吊带与髋关节机构1连接并挂在悬挂支架上，使穿戴者的髋部可以在偏航方向摆动。另外，图2所示的A区，左腿机构4和右腿机构5各具有一个摆动被动自由度，具体地，通过如图3所示的第一连接机构2和第二连接机构3，使穿戴者的左、右腿各自具有一个摆动被动自由度。其中，第一旋转马达17提供的滚动运动，除了会使得穿戴者的髋部可以有滚动运动，通过第一连接机构2和第二连接机构3将髋关节机构1的两端分别与左腿机构4和右腿机构5也同时耦合了。因此，滚动运动也同时使得左腿机构4和右腿机构5产生上抬或下放的运动。其中，

如图4、5和6所示，所述髋关节机构1进一步包括：前板、后板、第一旋转马达17、两个固定板13、三个口字型框架10、弹簧16、若干连接杆18和若干拉力弹簧8；

如图5所示，前板和后板左、右相对放置如图4所示，在前板和后板的中部分别安装固定板13；若干连接杆18固定安装在前板和后板的上端、下端、左端、右端的每一个端部的两侧，且每一个连接杆18均位于前板和后板之间，且每一个连接杆18均垂直于前板和后板，并通过若干拉力弹簧8将前板和后板的左端和右端的相邻的两个连接杆18连接，形成一个八边形结构；

在八边形结构的上端和下端分别安装一个第一固定板9；如图5和6所示，所述八边形结构内的中部竖直安装口字形框架10，并在其两内侧再分别竖直放置口字形框架10，三个口字形框架10之间等间距设置，且通过若干弹簧16将相邻的两个口字形框架10的顶部和底部连接；如图5所示，导向杆12安装在八边形结构的横向轴线方向上，即X轴方向，且贯穿八边形结构的左、右两侧；所述八边形结构内，位于中部的口字形框架10的中部安装第一旋转马达17，第一旋转马达17沿垂直于横向轴线方向的轴线方向，即Y轴方向，穿过前板和后板，并通过固定板13固定在前板和后板上。其中，在导向杆12的靠近左右两端的端部上对称地安装水平向外管轴承支架A19。

在上述技术方案中，如图4所示，所述前板包括：第一竖直工字形框架6和第一水平工字形框架7；所述第一竖直工字形框架6和第一水平工字形框架7相互垂直、交叉，且呈十字形结构。

在上述技术方案中，所述后板包括：第二竖直工字形框架15和第二水平工字形框架11；所述第二竖直工字形框架15和第二水平工字形框架11相互垂直、交叉，且呈十字形结构。

在上述技术方案中，所述导向杆12为中空结构，且所述导向杆12内还设有一调节内管14。

在上述技术方案中，所述第一旋转马达17位于前板的中部和后板的中部之间，且安装在位于中部的口字形框架10的中部。

在上述技术方案中，所述髋关节机构1通过拉力弹簧8和弹簧16调节穿戴者的髋部在上下、左右、滚动三个方向上的运动状态；其中，上下运动的运动范围为±4cm，左右运动的运动范围为±4cm，滚动运动的运动范围为±4°。另外，通过结合悬挂支架和悬挂吊带，将髋关节机构1通过悬挂吊带挂在悬挂支架上，所述髋关节机构1还可以实现在偏航方向上的运动调节，其中，偏航方向的运动范围为±4°。所述髋关节机构1具有上下运动的主动自由度、左右运动的被动自由度、滚动运动的主动自由度和偏航方向上摆动的被动自由度。

在本实施例中，当一个健康的人走路时，髋部的髋关节不仅仅具有如图2所示的沿Z轴方向的上下运动、如图2所示的Y轴方向的左右运动，还具有如图2所示的X轴方向的滚动运动、如图2所示的Y轴方向的偏航方向的摆动；其中，滚动运动与上下运动可以相结合。为了给穿戴者提供更贴近自然行走的步态轨迹，其中，允许穿戴者的髋部上下运动，具体地，其上下运动的自由度由于带有线性马达，可用于高度调节，使穿戴者的髋部在行走过程中可以上下运动。如图1，图2，图3，图4和图5所示，展示了所述下肢外骨骼机器人的所有自由度，达成了最佳的康复效果，使穿戴者的步行轨迹更接近自然人行走，如图8和9所示。

本发明中的髋关节机构1提供了可调节范围的髋部运动，其中，上下运动范围为±4cm，左右运动范围为±4cm，偏航方向的范围为±4°，滚动方向运动为±4°。上述参数会因为穿戴者和穿戴者的运动状态的不同而出现差异；例如，快走和慢走。在康复训练中，为了兼容不同的穿戴者和不同的运动状态，所述髋关节机构采用拉力弹簧8和弹簧16来调节髋部的左右、上下、滚动三个方向的运动范围。因此，穿戴者可以在上述的三个方向运动。

如图4和5所示，导向杆12上，三个口字形框架10与4根弹簧16连接的设计，使穿戴者的髋部在X轴方向上进行左右运动。通过更换不同劲度的弹簧18以及通过调节定位板13的固定螺母来调节第一水平工字形框架7的位置，就可以调节穿戴者的髋部在X轴方向上由弹簧16产生的被动回复力以及左右运动的运动范围。

如图5所示，每2个拉力弹簧8斜连接在前板和后板的左、右两个端部的两侧的相邻的两个连接杆18上，前板与后板之间的中部，即八边形结构内的位于中部的口字形框架10的中部，安装第一旋转马达17，使得髋部可以在围绕Y轴方向旋转，即滚动运动。通过更换不同劲度和长度的拉力弹簧8，调整滚动运动的动态范围。当围绕着Y轴产生滚动运动时，左腿机构4和右腿机构5会沿Z轴上下运动。

如图2所示，连接髋部机构1以及左腿机构4、右腿机构5的两个被动关节，即第一连接机构2和第一连接机构3，可以使穿戴者的走路姿势尽可能地接近健康人的走路姿势，如图8和9所示，用于纠正在行走过程中腿部被髋部机构导致的围绕Y轴的旋转。

总而言之，髋关节机构1具有4个自由度，具体如下：

上下运动，即如图2所示的沿Z轴方向的运动：通过如图5所示，通过安装在八边形结构内的中部的第一旋转马达17实现髋关节机构1的上下运动。如图5所示，由于在导向杆12内安装了调节内管14，第一旋转马达17的旋转运动导致了调节内管14的两端上下运动。通过更换不同长度的调节内管14，可以调节上下运动的范围。

左右运动，即如图2所示的沿X轴方向的运动：如图5所示，这个外骨骼髋部的滚动的运动关节在没有第一旋转马达17的情况下是被动的，由八个弹簧8提供被动的滚动运动。如果结合第一旋转马达17，那么这个髋部的髋关节会变成一个主动关节。通过更换不同劲度的弹簧16，实现髋关节机构1的左右运动；其中，左右运动的劲度值可以调整。

滚动运动，即如图2所示的围绕Y轴方向的运动：如图5所示，通过安装在八边形结构内的中部的第一旋转马达17的驱动，使髋关节机构1具有一个滚动自由度，通过调节拉力弹簧8的劲度和长度，来调节运动运动范围。

偏航运动，即如图2所示的围绕Z轴方向的运动：该偏航运动是通过采用如图11所示的悬挂吊带和悬挂支架，将悬挂吊带与髋关节机构1连接并挂在悬挂支架上，使穿戴者的髋部可以在偏航方向摆动；通过调节悬挂带的长度和悬挂支架的高度，可以调节偏航运动的运动范围。

此外，如图2所示的A区设计，两个摆动被动自由度(如图3所示以及相对应的右腿与髋关节连接处)连接髋关节机构1左、右的两端和左腿机构4、右腿机构5，可以使穿戴者的左腿和右腿在如图8站立时和9抬腿行走时所示的行走过程中处于更加自然的位置。

通过如图2所示，提供第一连接机构2和第一连接机构3，将髋关节机构1的左、右两端分别与对应的左腿机构4和右腿机构5进行连接，使穿戴者的腿部在正常行走中可以在允许范围内摆动。

如图1、2和12所示，所述第一连接机构2包括：第一基板20、两个第一基座21，第一U形固定装置22，第一马达23，两个第二U形固定装置24，第一接头机构25、右腿侧向摆动轴26、减速器转换接头80和马达减速器81；

第一基板20的下侧安装第一U形固定装置22，右腿侧向摆动轴26安装在第一U形固定装置22上；第一基板20的上侧并行安装两个第一基座21；第一马达23的左端依次连接马达减速器、减速器转接头，并将减速器转换接头80、马达减速器81、第一马达23置于两个第一基座21上，并通过第二U形固定装置24进行固定；减速器转换接头与第一接头机构25连接；其中，导向杆12的左端穿过第一U形固定装置22，并与右腿侧向摆动轴26连接。其中，所述第一接头机构25具体包括：L形连接支架82、90度马达转接头83、马达转接头罩84、90度马达转接头盖板85、轴承86和连接支架盖板87；90度马达转接头83放置在L形连接支架82上，且90度马达转接头83的一端与L形连接支架82的竖直端固定；90度马达转接头盖板85通过固定螺丝固定在90度马达转接头83的另一端，并与轴承86、连接支架盖板87连接；马达转接头罩84通过固定螺丝盖在90马达转接头83上。其中，90度马达转接头盖板85的右侧上设有凸起，将轴承86套在该凸起上，连接支架盖板87上设有一孔，该凸起穿过该孔，并通过固定螺丝进行固定。

如图1、2和12所示，所述第二连接机构3的结构与第一连接机构2的结构相同，具体包括：第二基板27、若干第二基座28，第三U形固定装置29，第二马达30，若干第四U形固定装置31，第二接头机构32、左腿侧向摆动轴33、减速器转换接头80和马达减速器81；

第二基板27的下侧安装第三U形固定装置29，左腿侧向摆动轴33安装在第三U形固定装置29上；第二基板27的上侧并行安装两个第二基座27；第二马达30的左端顺次连接马达减速器80、减速器转接头81，并将减速器转换接头81、马达减速器80、第二马达30置于两个第二基座27上，并通过第四U形固定装置31进行固定；减速器转换接头81与第二接头机构32连接。其中，导向杆12的右端穿过第三U形固定装置29，并与左腿侧向摆动轴33连接。其中，所述第二接头机构32的结构与第一接头机构25的结构相同，具体包括：L形连接支架82、90度马达转接头83、马达转接头罩84、90度马达转接头盖板85、轴承86和连接支架盖板87；90度马达转接头83放置在L形连接支架82上，且90度马达转接头83的一端与L形连接支架82的竖直端固定；90度马达转接头盖板85通过固定螺丝固定在90度马达转接头83的另一端，并与轴承86、连接支架盖板87连接；马达转接头罩84通过固定螺丝盖在90马达转接头83上。其中，90度马达转接头盖板85的右侧上设有凸起，将轴承86套在该凸起上，连接支架盖板87上设有一孔，该凸起穿过该孔，并通过固定螺丝进行固定。

如图1和2所示，所述左腿机构4进一步包括：左大腿子机构34，左膝盖子机构35，左小腿子机构36和左脚子机构37；

左大腿子机构34的上端垂直固定在第一接头机构25的底部，其下端则通过左膝盖子机构35与左小腿子机构36的上端连接，左小腿子机构36的下端与左脚子机构37垂直连接；其中，左大腿子机构34与左小腿子机构36位于同一纵向轴线上。

如图1所示，所述左大腿子机构34具体为可以调节任意长度的铝管；左大腿子机构34的上端通过铰链与第一接头机构25的底部垂直连接。

如图1所示，所述左膝盖子机构35包括：第三基座38、第三马达39、第三马达信号电源接点40和第一铰链41；

第一铰链41固定安装在第三基座38的下方，所述第三马达39横穿过第一铰链41，并安装在其上；第三马达信号电源接点40安装在第三马达39上，用于驱动第三马达39，从而驱动左小腿子机构36摆动。

如图1所示，所述左小腿子机构36为可以调节任意长度的铝管，左小腿子机构36的上端通过第一铰链41与左膝盖子机构35垂直连接。

如图1所示，所述左脚子机构36包括：第四基座42、第二铰链43、第四马达44、第四马达信号电源接点45、第一直角角码46和第一U形卡扣；

左小腿子机构36的下端垂直固定在第四基座42上，第二铰链43固定安装在第四基座42的下方，第四马达44横穿过第二铰链43，并安装在其上；第四马达信号电源接点45安装在第四马达44上，用于驱动第四马达44，从而驱动左脚子机构36摆动；第一直角角码46与第二铰链43垂直连接，第一U形卡扣安装在第一直角角码46上，且与水平地面平行。

如图1所示，所述第一U形卡扣包括：第一半U形条47、第二半U形条48和若干橡胶条49；

所述第一半U形条47的底部与第二半U形条48的底部通过锁定装置将二者固结在一起，形成U形结构；第一半U形条47的内侧与第二半U形条48的内侧均对称安装若干橡胶条49，通过在二者的内侧等间距设置螺丝，将橡胶条49固定在U形结构上。

如图1所示，所述右腿机构5进一步包括：右大腿子机构50，右膝盖子机构51，右小腿子机构52和右脚子机构53；

右大腿子机构50的上端垂直固定在第二接头机构32的底部，其下端则通过右膝盖子机构51与右小腿子机构52的上端连接，右小腿子机构52的下端与右脚子机构53垂直连接；其中，右大腿子机构50与右小腿子机构52位于同一纵向轴线上。

如图1所示，所述右大腿子机构50为可以调节任意长度的铝管；右大腿子机构50的上端通过铰链与第二接头机构32的底部垂直连接。

如图1所示，所述右膝盖子机构51包括：第五基座54、第五马达55、第五马达信号电源接点56和第三铰链57；

第三铰链57固定安装在第五基座54的下方，所述第五马达55横穿过第三铰链57，并安装在其上；第五马达信号电源接点56安装在第五马达55上，用于驱动第五马达55，从而驱动右小腿子机构52摆动。

如图1所示，所述右小腿子机构52为可以调节任意长度的铝管，右小腿子机构52的上端通过第三铰链57与右膝盖子机构51垂直连接。

如图1所示，所述右脚子机构53包括：第六基座58、第四铰链59、第六马达60、第六马达信号电源接点61、第二直角角码62和第二U形卡扣；

右小腿子机构52的下端垂直固定在第六基座58上，第四铰链59固定安装在第六基座58的下方，第六马达60横穿过第四铰链59，并安装在其上；第六马达信号电源接点61安装在第六马达60上，用于驱动第六马达60，从而驱动右脚子机构53摆动；第二直角角码62与第四铰链59垂直连接，第二U形卡扣安装在第二直角角码62上，且与水平地面平行。

如图1所示，所述第二U形卡扣包括：第三半U形条63、第四半U形条64和若干橡胶条49；

所述第三半U形条63的底部与第四半U形条64的底部通过锁定装置将二者固结在一起，形成U形结构；第三半U形条63的内侧与第四半U形条64的内侧均对称安装若干橡胶条49，通过在二者的内侧等间距设置螺丝，将橡胶条49固定在U形结构上。

所述第一U形卡扣和第二U形卡扣的设计，允许穿戴者使用自己的鞋子的同时，既不需要条纹状的固定条带包裹在鞋面上，也不需要和市面上常见的在鞋底安装金属板。因为不论是用固定条带包裹鞋面，还是在鞋底安装金属板，穿戴者在走路时都会感受到来自固定条带的束缚感或者是来自金属的硬物感，从而影响了穿戴者的舒适性，也使得用户感到很不自然。相比于在穿戴者的鞋子和踝关节上使用固定条带或者在穿戴者的鞋底安装硬质底板，如金属底板。如图1所示，采用所述第一U形卡扣和第二U形卡扣的设计，用一个简单的机构将穿戴者的鞋子固定在其上。穿戴者的踝关节通过这样的方式固定在外骨骼机器人的主动踝关节上，这样外骨骼机器人可以控制包括穿戴者踝关节运动在内的下肢运动。同时，避免了其他设计中在鞋子底部由固定条带和/或金属底板产生的不适感和被干扰的感觉。

通过将各个马达与对应的电流直流传感器集成在一起，或者将各个电流直流传感器安装在控制箱中对应的马达控制器的旁边。各个电流直流传感器不需要直接与穿戴者接触，因此有效避免了各个直流传感器的磨损和被线材所困扰。

基于上述下肢外骨骼机器人，本发明还提供了一种感测方法，通过分别实时监测第一旋转马达17、右腿侧向摆动轴26、左腿侧向摆动轴33、第三马达39、第四马达44、第五马达55、第六马达60的电流消耗来实现对穿戴者的肌肉痉挛的动态感测，以及感测穿戴者的运动状态；其中，所述运动状态包括：穿戴者是否抵制下肢外骨骼机器人的运动或者下肢外骨骼机器人是否阻止穿戴者提高运动速度。所述感测方法具体包括：

步骤1)采用组合动力学公式(1)和(2)，如图6所示，获取任一马达在穿戴者不使用下肢外骨骼机器人时对应的预期的恒定的时间-扭矩的轨迹图65和穿戴者使用下肢外骨骼机器人时对应的预期的时间-扭矩的轨迹图68；其中，公式(1)和(2)如下：

其中，τ_m为穿戴者和下肢外骨骼机器人的组合马达扭矩，M(θ)是下肢外骨骼机器人与穿戴者合并的质量矩阵；其与加速度相关；

为任一穿戴者的下肢的独立关节的加速度变量；

为任一穿戴者的下肢的独立关节的速度参数，其包括：所有穿戴者的下肢的独立的关节速度参数；其中，所述独立关节包括：穿戴者下肢的髋关节、膝关节和踝关节；G(θ)为重力参数，其包括：引力常数g；

为未建模的方面和可能的误差(包括摩擦和系统干扰)；

τ_m＝τ_h+τ_e (2)

其中，τ_h为穿戴者的人体动力学的扭矩；τ_e为下肢外骨骼机器人的外骨骼动力学的马达扭矩；

具体地，τ_h＝[τ_h-h，τ_h-k，τ_h-a]^T；τ_e＝[τ_e-h，τ_e-k，τ_e-a]^T。其中，τ_h-h是穿戴者的髋关节预期所需的扭矩，τ_h-k是穿戴者的膝关节预期所需的扭矩；τ_h-a是穿戴者脚踝关节预期所需的扭矩；τ_e-h是外骨骼机器人的髋关节机构预期的马达扭矩；τ_e-k是外骨骼机器人的任意一膝关节机构预期的马达扭矩；τ_e-a是外骨骼机器人的任意一踝关节机构预期的马达扭矩；

若是采用实验的方法，在穿戴者使用下肢外骨骼机器人时，获取任一马达对应的预期的时间-扭矩的轨迹图(68)。

步骤2)设置预期的时间-扭矩的轨迹图的痉挛上限门槛值66，获得预期的时间-扭矩的痉挛上限轨迹图67；再设置预期的时间-扭矩的轨迹图的痉挛下限门槛值70，获得预期的时间-扭矩的痉挛下限轨迹图69；

步骤3)如图7所示，根据公式(3)，将步骤1)的预期的时间-扭矩的轨迹图68转换成预期的时间-电流消耗的轨迹图74；将步骤2)中的预期的时间-扭矩的痉挛上限轨迹图67转换成预期的时间-电流消耗的痉挛上限轨迹图73；将步骤2)中的预期的时间-扭矩的痉挛下限轨迹图69转换成预期的时间-电流消耗的痉挛下限轨迹图75；其中，公式(3)为：

其中，τ_m’是任一马达预期的组合马达扭矩；K_m是任一马达自身的系数；

是任一马达的总磁通量；I为任一马达预期的电流消耗量；

步骤4)设置预期的时间-扭矩的轨迹图的运动意向上限门槛值88，获得预期的时间-扭矩的运动意向上限轨迹图90；设置预期的时间-扭矩的轨迹图的运动意向下限门槛值89，获得预期的时间-扭矩的运动意向下限轨迹图91；

步骤5)如图7所示，根据公式(3)，将步骤4)的预期的时间-扭矩的运动意向上限轨迹图90转换成预期的时间-电流消耗的运动意向上限轨迹图94，获得预期的时间-电流消耗的运动意向上限门槛值92；将步骤4)的预期的时间-扭矩的运动意向下限轨迹图91转换成预期的时间-电流消耗的运动意向下限轨迹图95，获得预期的时间-电流消耗的运动意向下限门槛值93；

步骤6)操作下肢外骨骼机器人，做出一个完整的康复动作，下肢外骨骼机器人的任一马达会产生对应的电流消耗量，获得真实的时间-电流消耗的轨迹图；

实时的将真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量分别与预期的时间-电流消耗的痉挛上限轨迹图73的电流消耗量、预期的时间-电流消耗的痉挛下限轨迹图75的电流消耗量进行比较，根据比较结果，感测穿戴者的下肢是否有痉挛发生；

实时的将真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量分别与预期的时间-电流消耗的运动意向上限轨迹图94的电流消耗量、预期的时间-电流消耗的运动意向下限轨迹图95的电流消耗量进行比较，根据比较结果，感测穿戴者的运动意向。

作为上述技术方案的改进之一，所述步骤6)中，感测穿戴者的下肢是否有痉挛发生，具体包括：

如果真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量在预期的时间-电流消耗的痉挛上限轨迹图73的电流消耗量和预期的时间-电流消耗的痉挛下限轨迹图75的电流消耗量之间，则穿戴者的下肢没有出现肌肉痉挛；

如果真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量超出了预期的时间-电流消耗的痉挛上限轨迹图73的电流消耗量或预期的时间-电流消耗的痉挛下限轨迹图75的电流消耗量，则穿戴者的下肢出现了肌肉痉挛，下肢外骨骼机器人停止工作。

作为上述技术方案的改进之一，所述步骤6)中，感测穿戴者的运动意向，具体包括：

如果真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量在预期的时间-电流消耗的运动意向上限轨迹图94的电流消耗量和预期的时间-电流消耗的运动意向下限轨迹图95的电流消耗量之间，则穿戴者没有加快或减慢运动速度的意向；

如果真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量超出了预期的时间-电流消耗的运动意向上限轨迹图94的电流消耗量或预期的时间-电流消耗的运动意向下限轨迹图95的电流消耗量；则出现了穿戴者阻止加快或减慢运动速度的意向，需要降低或提高对应的马达的速度或扭矩；其中，

当真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量超出了预期的时间-电流消耗的运动意向上限轨迹图94的电流消耗量，则需要降低对应的马达的速度或扭矩；

当真实的时间-电流消耗的轨迹图的电流消耗量超出了预期的时间-电流消耗的运动意向下限轨迹图95的电流消耗量，则需要提高对应的马达的速度或扭矩。

当为穿戴者设计接近健康人自然行走的步态康复轨迹时，通过结合所述下肢外骨骼机器人和穿戴者的动力学模型，即公式(1)、公式(2)和公式(3)；利用数学公式获得每个马达的独立于时间的预期的时间-电流消耗轨迹图74；具体地，通过结合动力学模型，获得每个马达的独立于时间的预期的时间-扭矩轨迹图，如图6所示。然后，基于图6所示的时间-扭矩轨迹图，通过数学公式(3)获得每个马达的独立于时间的预期的时间-电流消耗轨迹图，如图7所示。最后，通过电流传感器监测而获得的每个马达的真实的时间-电流消耗的轨迹图，与预期的时间-电流消耗轨迹图、预期的上限轨迹图和预期的下限轨迹图进行比较，就可以实现对穿戴者的动态地肌肉痉挛和运动状态的感测。

通过设计预期的时间-电流消耗的轨迹图的上限门槛值和下限门槛值，来设定预期的电流消耗轨迹的上限轨迹图或下限轨迹图。在任意时刻，如果有某一电流传感器监测到对应的马达的电流消耗值超过上限轨迹图或下限轨迹图，即超过预设的上限门槛值和下限门槛值，则穿戴者产生肌肉痉挛。

所述感测方法也可以用于穿戴者的运动状态的感测。例如，如图6所示，马达在开始根据预设的步行轨迹转动之前或者不工作时，马达的电流消耗量一直保持恒定不变。在这种情况下，如果监测到的电流变大或者变小了，这表示穿戴者正在推动下肢外骨骼机器人往穿戴者所要求的方向运动，将对应的马达按照设定向顺时针或逆时针方向转动。

当马达正在根据预设的步行轨迹转动时，如果对应的电流直流传感器测定的电流消耗值大于或小于预设的电流消耗轨迹设定的上限门槛值和下限门槛值时，这表明穿戴者正在阻碍或助推马达的运动。因此，穿戴者的运动状态可以被实时地原位智能地检测到来提高或降低对应的马达的速度或扭矩，以获得更好的康复效果。

考虑到穿戴者的肌肉痉挛和运动状态的感测，所述下肢外骨骼机器人采用了6个电流直流传感器，用于感测穿戴者的肌肉痉挛，同时也用于穿戴者的运动状态的感测；减少了所需传感器的总数量，并且避免了侵入式的感测方法以及让传感器和穿戴者直接接触；因此，有效避免了因传感器与穿戴者直接接触对穿戴者造成的不适；实现更自然的步态康复轨迹。

对于第二种方法，不需要用到组合动力学公式来获得没有穿戴者的情况下的和有穿戴者的情况下的期望的时间-电流消耗轨迹图后。具体如下：

对于给出的动作，首先，可以制定出下肢外骨骼机器人的每个关节机构(如髋关节机构，膝关节机构，踝关节机构)的运动轨迹。具体地，在没有穿戴者的情况下，根据所需的运动轨迹和速度轨迹，来控制和移动外骨骼机器人的每个关节机构。此时，下肢外骨骼机器人的电流消耗轨迹就可以通过电流传感器，如霍尔传感器，测得并记录下来。这样量测到的电流消耗轨迹即为没有穿戴者的情况下的下肢外骨骼机器人的期望电流消耗轨迹。然后，在有穿戴者的情况下，再次执行上述操作，测得的电流消耗轨迹即为外骨骼在有穿戴者的情况下的期望电流消耗轨迹。或者，穿戴者的期望电流消耗也可以通过公式(3)结合相关的文献中实验测得的扭矩数据得出。

获得了期望关节电流消耗轨迹后，也就是获得有穿戴者的情况下的和没有穿戴者的情况下的期望的时间-电流消耗轨迹图后，通过公式(3)的运用，就可得到两种情况下对应的时间-扭矩轨迹图；再依据穿戴者的情况来设定门槛值；通过对其门槛值的调节，可以得到轨迹的上限和下限。因此，就可得到两种状态下对应的上限轨迹图与下限轨迹图。根据患者的状态不同，门槛值可以是常数，也可以不是常数，可以相同也可以不同。

如图3和10所示，当开始驱动一个动作时，输入该动作对应的期望的关节机构的时间-扭矩轨迹，并提供给主控制器；其中，主控制器具体实现在电脑上，安装在下肢外骨骼机器人旁边控制箱上。通过主控制器，将控制讯号传至位于下肢外骨骼机器人旁边的控制箱中的各个对应的马达控制器。马达控制器也连接着电流传感器。痉挛/状态感测器则具体实现在安置于外骨骼机器人旁边控制箱中的单晶片控制板，用于收集感测器发出的信息并进行判断。随后将判断结果(是否有痉挛发生/是否需要改变状态，例如，提速或降速)转发给主控制器。基于输入信息，主控制器计算所需的控制信号并将该控制信号传送给马达控制器来控制所有关节机构对应的马达的动作；第一直流电流传感器(如霍尔传感器)可以监测下肢外骨骼机器人中的第一马达通过马达控制器汲取的电流。所测得的电流信息会被反馈给系统控制器或者系统控制器中的痉挛/运动感测器。

如图3所示，由于设定的门槛值可大也可小。大的门槛值用来算大的上下限值，用来监测痉挛是否发生。小的门槛值用来算小的上下限值，用来侦测穿戴者是正在抵制指定的动作或是动的比指定的动作更快。因此这种上限值和下限值的原理不只可以用于感测痉挛的发生，也可以用于感测穿戴者是正在抵制指定的动作(马达电流消耗比预期的大)，或是动的比指定的动作更快(马达电流消耗比预期的小)。因此，门槛值是根据实际需要设置的，并不固定。

如图3所示，基于肌肉痉挛和运动状态的感测结果，可以采用不同的控制行为，例如但不限于停止下肢外骨骼机器人，提高或降低动作的速度或所施加的扭矩。

本发明的创新之处在于，在不使用与穿戴者直接接触的传感器的情况下，采用上述感测方法动态地监测下肢外骨骼机器人的穿戴者的肌肉痉挛和运动状况；感测穿戴者是否抵制下肢外骨骼机器人进行的动作或下肢外骨骼机器人是否阻碍穿戴者加快运动速度。因此，可以实时调节外骨骼机器人的运动速度和每个马达的扭矩，以优化康复效果。

本发明提出一项利用电流直流传感器(例如霍尔电流传感器)的新的感测方法来监测对应的马达的电流消耗，而不是使用那些与穿戴者直接接触的传感器。目前，现有技术中并没有下肢外骨骼机器人的髋部具有上下、左右、偏航以及滚动方向的运动。

另外，本发明提出了采用第一U形卡扣和第二U形卡扣的设计，解决了可以不通过围绕在穿戴者的鞋子、脚和/或踝关节的固定条带或在鞋底安装如金属板的硬质底板的方式固定穿戴者的鞋子的问题；并创新性地使下肢外骨骼机器人的髋关节机构在上下、左右和滚动方向具备主动(由马达驱动)或被动(没有马达或类似物驱动)的自由度，同时也允许穿戴者在偏航方向摇摆穿戴者的髋部，能够更贴近健康者的自然行走的步行轨迹，更加自然的行走，以达到最好的康复效果。

此外，在其他具体实施例中，可以不使用电流传感器，而是通过不同的测量方法监测马达的电流消耗，如监测电流相关的物理效应的传感器，包括：感应磁场或电场。

在其他的具体实施例中，可以改变第一U形卡扣和第二U形卡扣的结构和形状，进而改变卡扣的位置。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于矫正步态的下肢外骨骼机器人，其特征在于，其包括：髋关节机构(1)、左腿机构(4)、右腿机构(5)、第一连接机构(2)和第二连接机构(3)；所述髋关节机构(1)位于左腿机构(4)和右腿机构(5)之间，髋关节机构(1)的两端分别对应的连接第一连接机构(2)和第二连接机构(3)，且通过第一连接机构(2)将髋关节机构(1)的一端与左腿机构(4)可拆卸地连接，通过第二连接机构(3)将髋关节机构(1)的另一端与右腿机构(5)可拆卸地连接；

所述髋关节机构(1)进一步包括：前板、后板、第一旋转马达(17)、两个固定板(13)、若干口字形框架(10)、弹簧(16)、若干连接杆(18)、若干拉力弹簧(8)、第一固定板(9)、导向杆(12)和两个水平向外管轴承支架(19)；

前板和后板相对放置，前板和后板的中部分别安装固定板(13)；若干连接杆(18)固定安装在前板和后板的上端、下端、左端、右端的每一个端部的两侧，且每一个连接杆(18)均位于前板和后板之间，并通过若干拉力弹簧(8)将前板和后板的左端、右端的相邻的两个连接杆(18)连接，形成一个八边形结构；

八边形结构的上端和下端分别安装第一固定板(9)；所述八边形结构内的中部竖直安装口字形框架(10)，并在其两侧再分别对称地竖直放置若干口字形框架(10)，所述口字形框架(10)之间等间距设置，且通过若干弹簧(16)将相邻的两个口字形框架(10)连接；导向杆(12)安装在八边形结构的轴向方向上，且贯穿八边形结构的两侧；其中，所述八边形结构内，位于中部的口字形框架(10)的中部安装第一旋转马达(17)，第一旋转马达(17)沿轴线方向穿过前板和后板，并通过固定板(13)进行固定；导向杆(12)的靠近两端的端部上，对称地安装水平向外管轴承支架(19)。

2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述前板包括：第一竖直工字形框架(6)和第一水平工字形框架(7)；所述第一竖直工字形框架(6)和第一水平工字形框架(7)相互垂直、交叉，且呈十字形结构；

所述后板包括：第二竖直工字形框架(15)和第二水平工字形框架(11)；所述第二竖直工字形框架(15)和第二水平工字形框架(11)相互垂直、交叉，且呈十字形结构。

3.根据权利要求1所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述导向杆(12)为中空结构，且所述导向杆(12)内还设有一调节内管(14)。

4.根据权利要求1所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述左腿机构(4)进一步包括：左大腿子机构(34)、左膝盖子机构(35)、左小腿子机构(36)和左脚子机构(37)；

左大腿子机构(34)的一端垂直固定在第一连接 机构(2)的底部，其另一端则通过左膝盖子机构(35)与左小腿子机构(36)的一端连接，左小腿子机构(36)的另一端与左脚子机构(37)垂直连接；其中，左大腿子机构(34)与左小腿子机构(36)位于同一纵向轴线上。

5.根据权利要求4所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述左脚子机构(37)包括：第四基座(42)、第二铰链(43)、第四马达(44)、第四马达信号电源接点(45)、第一直角角码(46)和第一U形卡扣；

左小腿子机构(36)的另一端垂直固定在第四基座(42)上，第二铰链(43)固定安装在第四基座(42)的下方，第四马达(44)横穿过第二铰链(43)；第四马达信号电源接点(45)安装在第四马达(44)上，用于驱动第四马达(44)；第一直角角码(46)与第二铰链(43)垂直连接，第一U形卡扣安装在第一直角角码(46)上，且与水平地面平行。

6.根据权利要求5所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于，所述第一U形卡扣包括：第一半U形条(47)、第二半U形条(48)和若干橡胶条(49)；

所述第一半U形条(47)的底部与第二半U形条(48)的底部通过锁定装置将二者固结在一起，形成U形结构；第一半U形条(47)的内侧与第二半U形条(48)的内侧均对称安装若干橡胶条(49)，通过在二者的内侧等间距设置螺丝，将橡胶条(49)固定在U形结构上。

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