CN112274389A - 助力式踝关节外骨骼 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种助力式踝关节外骨骼，包括与足部鞋靴相连的脚踝穿戴组件、与小腿相连的腿部穿戴组件和助力装置，脚踝穿戴组件通过枢轴与腿部穿戴组件转动连接，助力装置包括用于驱动脚踝穿戴组件与腿部穿戴组件发生相对转动的鲍登线缆、用于带动鲍登线缆拉伸的动力装置和用于将动力装置绑定于用户腰部的腰带；在人体行走时，动力装置带动鲍登线缆的钢丝索，钢丝索在导线套的引导下拉动脚踝穿戴组件相对于腿部穿戴组件发生转动，以向用户踝关节跖屈运动提供助力，辅助用户正常行走。本发明提供的助力式踝关节外骨骼结构紧凑，体型小，重量轻，减轻用户下肢在踝关节处的负重，对人体运动影响小，使用户保持自然的步态正常行走。

Description

助力式踝关节外骨骼

技术领域

本发明属于可穿戴外骨骼技术领域，更具体地说，是涉及一种助力式踝关节外骨骼。

背景技术

近年来，随着社会老龄化人群的逐步增加，由人体自然衰老与疾病导致的肢体运动功能障碍，影响了越来越多老年人的日常生活与出行，因此针对老年人行走助力、辅助康复训练等开发的机械助力式外骨骼得到了广泛推广应用。机械助力式外骨骼，可以通俗地理解成可穿戴机器人，它具有外骨骼肢体和外骨骼关节结构，外骨骼肢体由金属等材料制造并由各外骨骼关节连接，各外骨骼关节在受到安装在关节处的液压装置直接驱动作用下，外骨骼关节驱动外骨骼肢体带动穿戴者的肢体运动，从而对老年人的行走达到良好的助力效果。

然而，当前可穿戴的外骨骼踝关节助力机器人，通常采用液压装置直接在人体踝关节处进行助力驱动，不仅需要具有较大的功率才能对人体的肢体运动进行助力驱动，而且结构较为复杂，体型大，重量重，导致人体下肢在踝关节处形成强烈的负重感，造成人体踝关节运动与外骨骼踝关节运动的协调性较差，难以使人体下肢保持自然的步态行走。

发明内容

本发明的目的在于提供一种助力式踝关节外骨骼，旨在解决现有技术中存在的外骨骼踝关节助力机器人，结构较为复杂，体型大，重量重，对人体正常行走状态影响和限制大的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种助力式踝关节外骨骼，包括用于与用户足部鞋靴相连的脚踝穿戴组件、用于固定于用户小腿上的腿部穿戴组件以及用于对用户踝关节的跖屈运动提供助力的助力装置，所述脚踝穿戴组件通过枢轴与所述腿部穿戴组件转动连接，所述助力装置包括用于拉动所述脚踝穿戴组件相对于所述腿部穿戴组件转动的鲍登线缆、用于带动所述鲍登线缆拉伸的动力装置和用于将所述动力装置绑定于用户腰部的腰带；所述鲍登线缆包括用于拉动所述脚踝穿戴组件绕所述枢轴转动的钢丝索和用于引导所述钢丝索拉伸的导线套，所述导线套的顶端固定于所述动力装置上，所述导线套的底端固定于所述腿部穿戴组件上，所述钢丝索的一端与所述动力装置的输出端相连，所述钢丝索的另一端与所述脚踝穿戴组件相连。

进一步地，所述动力装置包括与所述腰带相连的驱动电机和与所述驱动电机的输出轴相连的绕线轮，所述钢丝索的一端固定于所述绕线轮上。

进一步地，所述绕线轮的外周面上凹设有用于卷绕所述钢丝索的绕线槽。

进一步地，所述脚踝穿戴组件包括用于固定于用户鞋靴上的鞋底固定件和分别设置于所述鞋底固定件相对两侧的两个转动支撑臂，两个所述转动支撑臂的顶端分别通过所述枢轴与所述腿部穿戴组件转动连接，所述钢丝索的另一端与所述鞋底固定件相连。

进一步地，所述腿部穿戴组件包括用于穿戴并固定于用户小腿上的腿部固定件和分别设置于所述腿部固定件相对两侧的两个腿部支撑臂，两个所述腿部支撑臂的底端分别通过所述枢轴与两个所述转动支撑臂的顶端转动连接。

进一步地，所述枢轴的设置位置与用户踝关节的位置相应，各所述腿部支撑臂包括下部竖直段和于所述下部竖直段的顶端朝向所述枢轴的方向弯折的上部弯折段，所述下部竖直段的底端通过所述枢轴与相应所述转动支撑臂的顶端转动连接，所述上部弯折段远离所述下部竖直段的一端与所述腿部固定件固定相连。

进一步地，所述腿部固定件包括用于穿戴并支撑于人体小腿上的刚性支撑架和用于将所述刚性支撑架绑定于用户小腿上的绑带。

进一步地，所述助力式踝关节外骨骼还包括用于监测并反馈所述用户步态相位的惯性测量单元、用于接收所述惯性测量单元反馈的步态相位信息并发送控制指令控制所述动力装置以辅助用户步态调整的控制器，所述惯性测量单元包括至少一个用于对用户腿部的运动参数进行实时获取并反馈给所述控制器的惯性传感器。

进一步地，所述惯性测量单元包括布置于用户足部的第一惯性传感器、布置于用户小腿前侧的第二惯性传感器和布置于用户大腿前侧的第三惯性传感器。

进一步地，所述助力式踝关节外骨骼还包括用于获取用户足底压力大小与分布并反馈给所述控制器的压力传感器。

本发明提供的助力式踝关节外骨骼的有益效果在于：与现有技术相比，本发明提供的助力式踝关节外骨骼，包括通过枢轴转动连接的脚踝穿戴组件和腿部穿戴组件，以及驱动脚踝穿戴组件与腿部穿戴组件发生相对转动的鲍登线缆，并利用腰带将带动鲍登线缆拉伸的动力装置绑定于用户腰部。则在穿戴使用时，用户在行走的过程中，需要足部踝关节跖屈蹬地时，动力装置带动鲍登线缆的钢丝索，钢丝索在导线套的引导下拉动脚踝穿戴组件相对于腿部穿戴组件发生转动。在脚踝穿戴组件绕枢轴转动的过程中，脚踝穿戴组件带动用户的足部踝关节跖屈运动以辅助用户的足部跖屈蹬地，为用户提供正常行走的助力。并且，设置于用户腰部的动力装置在钢丝索的传动作用下，驱动形成杠杆结构的脚踝穿戴组件与腿部穿戴组件发生转动，放大动力装置的力矩，实现用低功率动力装置即可达到稳定、良好的助力效果，并简化踝关节助力装置的结构，与采用动力装置直接对踝关节进行助力驱动的结构相比，结构紧凑，体型小，重量轻，减轻用户下肢在踝关节处的负重，使用户踝关节的运动与外骨骼踝关节的运动具有良好的协调一致性，从而能够使用户保持自然高效的步态进行稳步行走。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的助力式踝关节外骨骼的结构示意图；

图2为图1中局部放大的结构示意图；

图3为为图1中局部放大的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的助力式踝关节外骨骼的脚踝穿戴组件与腿部穿戴组件转动连接的立体结构示意图一；

图5为本发明实施例提供的助力式踝关节外骨骼的脚踝穿戴组件与腿部穿戴组件转动连接的立体结构示意图二。

其中，图中各附图主要标记：

1-脚踝穿戴组件；11-鞋底固定件；12-旋转支撑臂；

2-腿部穿戴组件；21-腿部固定件；211-刚性支撑架；212-绑带；22-腿部支撑臂；221-上部弯折段；222-下部竖直段；

3-助力装置；31-鲍登线缆；311-钢丝索；312-导线套；32-动力装置；321-驱动电机；322-绕线轮；323-盒体；324-电池；325-绕线槽；33-腰带；

4-枢轴；5-第一惯性传感器；6-第二惯性传感器；

7-第三惯性传感器；8-压力传感器；9-锁扣。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“连接于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请一并参阅图1至图5，现对本发明提供的助力式踝关节外骨骼进行说明。本发明提供的助力式踝关节外骨骼，包括用于与用户足部鞋靴相连的脚踝穿戴组件1、用于固定于用户小腿上的腿部穿戴组件2以及用于对用户踝关节的跖屈运动提供助力的助力装置3，脚踝穿戴组件1通过枢轴4与腿部穿戴组件2转动连接，助力装置3包括用于拉动脚踝穿戴组件1相对于腿部穿戴组件2转动的鲍登线缆31、用于带动鲍登线缆31拉伸的动力装置32和用于将动力装置32绑定于用户腰部的腰带33；鲍登线缆31包括用于拉动脚踝穿戴组件1绕枢轴4转动的钢丝索311和用于引导钢丝索311拉伸的导线套312，导线套312的顶端固定于动力装置32上，导线套312的底端固定于腿部穿戴组件2上，钢丝索311的一端与动力装置32的输出端相连，钢丝索311的另一端与脚踝穿戴组件1相连。

本发明提供的助力式踝关节外骨骼的基本工作原理：用户穿戴助力式踝关节外骨骼后，在行走的过程中需要足部踝关节跖屈蹬地时，通过腰带33穿戴于用户腰部的动力装置32通电工作，带动鲍登线缆31的钢丝索311拉动穿戴于用户足部鞋靴上的脚踝穿戴组件1，脚踝穿戴组件1与穿戴于用户小腿上的腿部穿戴组件2发生相对转动。在脚踝穿戴组件1绕枢轴4旋转转动的过程中，带动用户的足部踝关节跖屈运动，为用户行走时足部踝关节的跖屈运动提供助力，以辅助用户的足部跖屈蹬地，从而减小了用户行走时的能量消耗和降低了用户踝关节的力矩输出。并且，上述于人体足部蹬地行走时向用户踝关节的跖屈运动提供助力，是由腿部穿戴组件2通过枢轴4与脚踝穿戴组件1之间转动连接形成的杠杆结构，并利用动力装置32带动的钢丝索311拉动脚踝穿戴组件1实现的，可利用杠杆结构对动力装置32(驱动电机321)的力矩进行放大，提高了动力装置32(驱动电机321)的助力力矩，能够较好地辅助用户足部踝关节蹬地行走，降低了踝关节对驱动电机321功率较高的要求，实现用低功率驱动电机321便可对踝关节提供高功率助力驱动的使用效果，从而减少了用户在平地行走所消耗的能量以及输出力矩。而且，将动力装置32(驱动电机321)通过腰带33穿戴于用户腰部，利用动力装置32驱动鲍登线缆31带动脚踝穿戴组件1，以对用户踝关节进行助力，减轻用户下肢在踝关节处的负重，使人体踝关节运动与外骨骼踝关节助力装置3运动具有良好的协调性，人体下肢能够保持自然的步态行走。因此，本发明提供的助力式踝关节外骨骼，克服了“传统外骨骼踝关节助力机器人，将驱动电机321设在人体踝关节处进行助力驱动，不仅对电机的功率要求较高，而且导致人体下肢负重行走，难以使人体下肢保持自然的步态行走”的问题。

本发明提供的助力式踝关节外骨骼，与现有技术相比，包括通过枢轴4转动连接的脚踝穿戴组件1和腿部穿戴组件2，以及驱动脚踝穿戴组件1与腿部穿戴组件2发生相对转动的鲍登线缆31，并利用腰带33将带动鲍登线缆31拉伸的动力装置32绑定于用户腰部。则在穿戴使用时，用户在行走的过程中，需要足部踝关节跖屈蹬地时，动力装置32带动鲍登线缆31的钢丝索311，钢丝索311在导线套312的引导下拉动脚踝穿戴组件1相对于腿部穿戴组件2发生转动。在脚踝穿戴组件1绕枢轴4转动的过程中，脚踝穿戴组件1带动用户的足部踝关节跖屈运动以辅助用户的足部跖屈蹬地，为用户提供正常行走的助力。并且，设置于用户腰部的动力装置32在钢丝索311的传动作用下，驱动形成杠杆结构的脚踝穿戴组件1与腿部穿戴组件2发生转动，放大动力装置32的力矩，实现用低功率动力装置32即可达到稳定、良好的助力效果，并简化踝关节助力装置3的结构，与采用动力装置32直接对踝关节进行助力驱动的结构相比，结构紧凑，体型小，重量轻，减轻用户下肢在踝关节处的负重，使用户踝关节的运动与外骨骼踝关节的运动具有良好的协调一致性，从而能够使用户保持自然高效的步态进行稳步行走。

具体地，请一并参阅图1、图3及图4，作为本发明提供的助力式踝关节外骨骼的一种具体实施方式，钢丝索311活动地置于导线套312的套孔中，且钢丝索311的一端伸出导线套312的顶端口并与动力装置32的输出端相连，钢丝索311的另一端伸出导线套312的底端口并与脚踝穿戴组件1相连。

本实施例中，在动力装置32与腿部穿戴组件2之间设有导线套312，并将钢丝索311活动地置于导线套312的套孔中，以通过导线套312对钢丝索311的拉伸方向起到引导限制作用，从而使动力装置32能够更加稳定高效地驱动脚踝穿戴组件1与腿部穿戴组件2发生相对转动，对用户的足部踝关节起到良好的助力效果，避免动力装置32带动钢丝索311拉动脚踝穿戴组件1时，钢丝索311发生晃动或者偏摆位移，影响动力装置32驱动脚踝穿戴组件1与腿部穿戴组件2之间发生相对转动的精度与稳定性。

进一步地，请一并参阅图1及图3，作为本发明提供的助力式踝关节外骨骼的一种具体实施方式，动力装置32包括与腰带33相连的驱动电机321和与驱动电机321的输出轴相连的绕线轮322，钢丝索311的一端固定于绕线轮322上。

本实施例中，动力装置32包括连接于腰带33上的驱动电机321和与驱动电机321的输出轴相连的绕线轮322，在驱动电机321的输出轴上连接有绕线轮322，通过驱动电机321驱动绕线轮322卷绕钢丝索311，以使钢丝索311传动带动脚踝穿戴组件1，提高钢丝索311的传动速率与传动效率。

具体地，进一步地，请一并参阅图1及图3，作为本发明提供的助力式踝关节外骨骼的一种具体实施方式，动力装置32还包括用于容置驱动电机321的盒体323和用于向驱动电机321提供电源的电池324，驱动电机321置于盒体323中，盒体323通过腰带33固定于用户的腰部。并且，腰带33为弹性绑带，通过弹性绑带将盒体323和电池324对称地分布于用户腰部前侧与后侧(或左侧与右侧)，方便穿戴与拆卸的同时，有利于动力装置32的整体重量与人体负载的均匀分布，从而有效减轻便携式动力装置32给人体正常行走带来的不利影响和不舒适感，使用户能够更好地保持自然高效的步态进行行走。

当然，利用驱动电机321通过腰带33悬挂并固定于人体的腰部时，不限于通过弹性绑带将内置有驱动电机321的盒体绑定于人体的腰部，其还可以将内置有驱动电机321的盒体323通过背包背于人体的背部，或者用于医疗康复等情况时的外置固定等。

当然，驱动电机321还可采用气动马达、气压驱动机构或者液压驱动机构等驱动机构替换，以实现动力装置3带动钢丝索311的驱动功能，具体可根据实际需要而选取，在此不作唯一限定。

进一步地，请一并参阅图3，作为本发明提供的助力式踝关节外骨骼的一种具体实施方式，绕线轮322的外周面上凹设有用于卷绕钢丝索311的绕线槽325，以将绕线轮322上卷绕的钢丝索311容置并限制于绕线槽325内，可防止驱动电机321卷绕带动钢丝索311时发生松绳、乱绳现象，影响踝关节主力机构工作的稳定可靠性和助力效果。

进一步地，请一并参阅图2、图4及图5，作为本发明提供的助力式踝关节外骨骼的一种具体实施方式，脚踝穿戴组件1包括用于固定于用户鞋靴上的鞋底固定件11和分别设置于鞋底固定件11相对两侧的两个转动支撑臂12，两个转动支撑臂12的顶端分别通过枢轴4与腿部穿戴组件2转动连接，钢丝索311的另一端与鞋底固定件11相连。

本实施例中，设置有鞋底固定件11，鞋底固定件11包括用于固定套于鞋底外侧的刚性U形套，钢丝索311的另一端与鞋底固定件11的刚性U形套相连，刚性U形套的两端分别设有用于快速固定锁紧和快速解开固定的锁扣9，方便用户穿戴脚踝穿戴组件1。

本实施例中，鞋底固定件11的刚性U形套的相对两侧分别设有旋转支撑臂12，以通过旋转支撑臂12将鞋底固定件11的刚性U形套转动连接于腿部穿戴组件2上，利用鞋底固定件11的刚性U形套及其两侧的旋转支撑臂12，与腿部穿戴组件2的共同支撑作用，使本踝关节外骨骼总体结构紧凑、重量轻、体型小，助力效率高，采用上部柔性绑带固定连接和下部刚性U形套锁扣固定连接相结合的形式，并通过旋转支撑臂12对腿部穿戴组件2形成有效支撑，避免了传统柔性外骨骼踝关节助力装置3完全依靠绑带与人体足部固定连接，难以及时对人体足部踝关节提供足够大小的助力，并且助力的稳定性难以保证导致助力效果不佳，还会影响人体足部踝关节运动的舒适性。

本实施例中，鞋底固定件11两相对侧的旋转支撑臂12与鞋底固定件11的刚性U形套可拆卸相连，以便根据不同用户踝关节的高度位置与穿戴的鞋靴不同，通过替换不同长度的旋转支撑臂12来灵活调整枢轴4的高度，从而使得枢轴4的中心轴线与踝关节转轴中心重合，实现最佳的助力效果和提高舒适性。

本实施例中，鞋底固定件11(非胶接的连接方式)通过锁扣9与鞋靴的连接可快速解除，从而直接将踝关节助力机构从鞋靴上分离，此穿戴设计使得该踝关节助力机构穿戴与拆卸便捷，并且与人体和鞋靴高度融合的设计也使得日常复杂环境适应性也有明显提高。

进一步地，请一并参阅图1、图2及图4，作为本发明提供的助力式踝关节外骨骼的一种具体实施方式，腿部穿戴组件2包括用于穿戴并固定于用户小腿上的腿部固定件21和分别设置于腿部固定件21相对两侧的两个腿部支撑臂22，两个腿部支撑臂22的底端分别通过枢轴4与两个转动支撑臂12的顶端转动连接。

优选地，腿部固定件21包括用于支撑于人体小腿部的刚性支撑架211和用于将刚性支撑架211绑定于人体小腿上的绑带212，以通过绑带212快速地将腿部固定件21在人体小腿上进行拆装，方便用户的穿戴。

本实施例中，设置于腿部固定件21相对两侧的两个腿部支撑臂22与腿部固定件21的刚性支撑架211可拆卸相连，刚性支撑架211包括固线座和分别与固线座相连并对称设置两个悬臂，以根据不同用户的功能需求，替换不同悬臂长度的刚性支撑架211来灵活调整悬臂长度，通过调整悬臂长度改变助力时的力臂大小，从而调整优化助力效果。

本实施例中，导线套312与腿部固定件21(刚性支撑架211)上的固线座相连，固线座上设有供钢丝绳穿过的穿过孔，钢丝索311的另一端伸出导线套312的底端口、穿过固线座上的穿过孔后，与鞋底固定件11的刚性U形套相连，并且刚性U形套上设有用于固定连接钢丝索311的固线器，固线器的设置位置与固线座的穿过孔的位置相应，以提高钢丝索311的传动效率与传动精度，使踝关节助力装置3能够稳定高效地对用户足部踝关节进行辅助助力。

进一步地，请一并参阅图2、图4及图5，作为本发明提供的助力式踝关节外骨骼的一种具体实施方式，枢轴4的设置位置与用户踝关节的位置相应，各腿部支撑臂22包括下部竖直段221和于下部竖直段221的顶端朝向枢轴4的径向弯折的上部弯折段222，下部竖直段221的底端通过枢轴4与相应旋转支撑臂12的顶端转动连接，上部弯折段222远离下部竖直段221的一端与腿部固定件21固定相连。

本实施例中，枢轴4的设置位置与用户踝关节的位置相应，各腿部支撑臂22包括下部竖直段221和于下部竖直段221的顶端朝向枢轴4的径向弯折的上部弯折段222，下部竖直段221的底端通过枢轴4与相应旋转支撑臂12的顶端转动连接，上部弯折段222远离下部竖直段221的一端与腿部固定件21(刚性支撑架211)固定相连，以实现腿部穿戴组件2与脚踝穿戴组件1的转动连接。由于下部竖直段221与上部弯折段222形成弯折的曲臂，各曲臂通过枢轴4与相应旋转支撑臂12转动连接形成的杠杆结构，从而增大钢丝索311拉动带动脚踝穿戴组件1绕枢轴4旋转转动的力矩，提高踝关节助力装置3对用户足部踝关节进行辅助跖屈的助力效果。

进一步地，作为本发明提供的助力式踝关节外骨骼的一种具体实施方式，助力式踝关节外骨骼还包括用于监测并反馈用户步态相位的惯性测量单元、用于接收惯性测量单元反馈的步态相位信息并发送控制指令控制动力装置32以辅助用户步态调整的控制器，惯性测量单元包括至少一个用于对用户腿部的运动参数进行实时获取并反馈给控制器的惯性传感器，控制器与动力装置32电性相连。

优选地，控制器采用具有数据处理能力的中央处理器、随机存储器等集成设置的单片机(微型计算机)，惯性传感器可以通过有线或者无线的方式与控制器通讯连接。

本实施例中，通过惯性测量单元获取人体行走状态与特征，如步态周期、脚落地时刻、脚离地时刻等步态相位信息，控制器接收惯性测量单元反馈的步态相位信息，控制器内储存的控制算法利用在步态周期的预迈步期从惯性测量单元中获得的运动学步态参数确定用户的实时运动意图或者行走意向，控制器根据预测结果发送控制指令控制动力装置32，以辅助用户步态调整，使用户能够以自然高效的步态保持正常行走。

进一步地，请一并参阅图1，作为本发明提供的助力式踝关节外骨骼的一种具体实施方式，惯性测量单元包括布置于用户足部的第一惯性传感器5、布置于用户小腿前侧的第二惯性传感器6和布置于用户大腿前侧的第三惯性传感器7，第一惯性传感器5、第二惯性传感器6和第三惯性传感器7分别通过有线或者无线的方式与控制器通讯连接。

本实施例中，惯性测量单元同时采用了三个惯性传感器，通过第一惯性传感器5测量用户足部的运动姿态，通过第二惯性传感器6测量用户小腿的运动姿态，通过第三惯性传感器7测量用户大腿的运动姿态，可准确地识别与判断人体当前行走环境与运动状态，并获取相应的行走状态与特征信息，再通过控制器根据三个惯性传感器获取人体行走状态与特征(如步态周期、脚落地时刻、脚离地时刻等)步态相位信息，为助力式踝关节外骨骼的控制提供依据，并根据预测分析结果发送控制指令控制动力装置32的驱动动作，以辅助用户步态调整，使用户能够以自然高效的步态保持正常行走。

进一步地，请一并参阅图1，作为本发明提供的助力式踝关节外骨骼的一种具体实施方式，助力式踝关节外骨骼还包括用于获取用户足底压力大小与分布的压力传感器8，压力传感器8通过有线或者无线的方式与控制器通讯连接。

本实施例中，通过压力传感器8获取用户足底压力大小与分布信息，辅助惯性测量单元获取人体当前步态相位信息，可准确地识别与判断人体当前行走环境与运动状态，为助力式踝关节外骨骼的控制提供依据，控制器根据压力传感器信息得出预测分析结果并发送控制指令控制动力装置32的驱动动作，以辅助用户步态调整，使用户能够以自然高效的步态保持正常行走。

优选地，请一并参阅图1，作为本发明提供的助力式踝关节外骨骼的一种具体实施方式，压力传感器8为位于足部鞋靴的鞋底内的应变片式压力传感器或者具有应变片式压力传感器的足底压力鞋垫。这样，应变片式压力传感器8可以感测足部压力信号(压力数据)，并将这些压力信号转变为电信号而传送至控制器，控制器发送控制命令并控制动力装置32动作，从而较佳地实现助力式踝关节外骨骼类似于用户人体踝关节的各种动作，以辅助用户步态调整，使用户能够以自然高效的步态保持正常行走。

优选地，驱动电机321为减速电机，驱动装置还包括分别安装于电机输出轴上的第一编码器和安装于减速器输出端上的第二编码器，利用第一编码器测量电机输出轴的旋转角度信息，同时通过第二编码器测量经减速器减速后输出轴端的转角信息，从而实现驱动电机321对绕线轮322与钢丝索311的闭环控制，可精确调节驱动电机321的助力参数，以提高助力式踝关节外骨骼的助力性能。

进一步地，作为本发明提供的助力式踝关节外骨骼的一种具体实施方式，该助力式踝关节外骨骼包括用于辅助踝关节跖屈的可穿戴助力机构、用于驱动并控制可穿戴助力机构向用户提供与其步态一致的辅助踝关节运动的助力的驱动控制系统以及用于对用户的实时运动意图或者行走状态进行识别的步态识别系统，其中，步态识别系统包括足底压力测量单元、惯性测量单元中的一种或多种组合，惯性测量单元包括至少一个用于对用户腿部的运动参数进行实时获取并反馈给驱动控制系统的惯性传感器，通过步态识别系统的一种或者多种压力及惯性数据对用户的运动意图与行走状态进行识别，获取实时的人体行走状态与特征，如步态周期、脚落地时刻、脚离地时刻等，从而为驱动控制系统控制助力装置的行走助力时机与大小提供依据。

优选地，在本实施例中，足底压力传感器8以足底压力鞋垫的形式内置于用户足部所穿的鞋靴底部，可获取足底压力大小与分布信息；并同时采用3个惯性传感器，分别布置于人体上足面的第一传感器5、布置于人体小腿前侧的第二传感器6及布置于人体大腿前侧的第三传感器7，可测量用户行走时相应位置的姿态信息，通过足底压力传感器与3个惯性传感器可准确识别与判断人体当前行走环境与状态，并获取相应的行走特征信息，为助力式踝关节外骨骼的控制提供依据，从而可实现在人体行走过程中对踝关节的精准、高效助力，有效减小人体行走时的能量消耗和踝关节力矩。

优选地，在本实施例中，可穿戴助力机构包括通过枢轴4转动连接的脚踝穿戴组件1与腿部穿戴组件2，驱动控制系统主要包括拉动鲍登线缆31的钢丝索311的驱动电机321、用于容置驱动电机的便携式盒体323、用于向驱动电机提供电源的电池324和设置于便携式盒体323中并用于控制驱动电机的单片机，从而通过便携式盒体323中的单片机控制驱动电机321的运行，通过驱动电机321带动绕线轮322旋转以卷绕拉动鲍登线缆31的钢丝索311，进而通过钢丝索311驱动踝关节处的可穿戴助力机构，在用户行走过程中辅助踝关节跖屈蹬地，减小人体行走时的能量消耗和踝关节力矩。并且，在便携式盒体323中，分别于驱动电机的末端与输出轴端布置2个编码器，利用2个编码器测量电机端与经过齿轮箱减速后输出轴端的旋转角度信息，从而实现绕线轮322与鲍登线缆31的钢丝索311的位置闭环控制，可精确调节该助力式踝关节外骨骼系统助力性能与参数。驱动控制系统的重量主要集中于便携式盒体323与电池314两部分，通过弹性固定腰带将两者分别固定于人体腰部前侧与后侧(或左侧与右侧)，方便穿戴与拆卸的同时，对称布置方式有还利于驱动控制系统的整体质量和人体负载的均匀分布，从而有效减轻便携式驱动盒与电池重量给人体正常运动带来的影响和不适。

综上，本发明实施例提供的可穿戴式踝关节外骨骼系统，可穿戴助力机构部分通过刚性与柔性结合，在提供了良好的穿戴舒适性与适应性的同时，结构紧凑，助力高效平稳，穿戴与拆卸便捷，对人体的负荷分布较为均匀，穿戴和使用舒适性较好，并通过人体运动意图与状态识别系统(惯性测量单元、足底分布式压力传感器)对人体运动意图与状态进行识别，获取实时的人体行走状态与特征，可实现在人体行走过程中对踝关节的精准、高效助力，有效减小人体行走时的能量消耗和踝关节力矩。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种助力式踝关节外骨骼，包括用于与用户足部鞋靴相连的脚踝穿戴组件、用于固定于用户小腿上的腿部穿戴组件以及用于对用户踝关节的跖屈运动提供助力的助力装置，所述脚踝穿戴组件通过枢轴与所述腿部穿戴组件转动连接，所述助力装置包括用于拉动所述脚踝穿戴组件相对于所述腿部穿戴组件转动的鲍登线缆、用于带动所述鲍登线缆拉伸的动力装置和用于将所述动力装置绑定于用户腰部的腰带；所述鲍登线缆包括用于拉动所述脚踝穿戴组件绕所述枢轴转动的钢丝索和用于引导所述钢丝索拉伸的导线套，所述导线套的顶端固定于所述动力装置上，所述导线套的底端固定于所述腿部穿戴组件上，所述钢丝索的一端与所述动力装置的输出端相连，所述钢丝索的另一端与所述脚踝穿戴组件相连。

2.如权利要求1所述的助力式踝关节外骨骼，其特征在于：所述动力装置包括与所述腰带相连的驱动电机和与所述驱动电机的输出轴相连的绕线轮，所述钢丝索的一端固定于所述绕线轮上。

3.如权利要求2所述的助力式踝关节外骨骼，其特征在于：所述绕线轮的外周面上凹设有用于卷绕所述钢丝索的绕线槽。

4.如权利要求1至3任一项所述的助力式踝关节外骨骼，其特征在于：所述脚踝穿戴组件包括用于固定于用户鞋靴上的鞋底固定件和分别设置于所述鞋底固定件相对两侧的两个转动支撑臂，两个所述转动支撑臂的顶端分别通过所述枢轴与所述腿部穿戴组件转动连接，所述钢丝索的另一端与所述鞋底固定件相连。

5.如权利要求4所述的助力式踝关节外骨骼，其特征在于：所述腿部穿戴组件包括用于穿戴并固定于用户小腿上的腿部固定件和分别设置于所述腿部固定件相对两侧的两个腿部支撑臂，两个所述腿部支撑臂的底端分别通过所述枢轴与两个所述转动支撑臂的顶端转动连接。

6.如权利要求5所述的助力式踝关节外骨骼，其特征在于：所述枢轴的设置位置与用户踝关节的位置相应，各所述腿部支撑臂包括下部竖直段和于所述下部竖直段的顶端朝向所述枢轴的方向弯折的上部弯折段，所述下部竖直段的底端通过所述枢轴与相应所述转动支撑臂的顶端转动连接，所述上部弯折段远离所述下部竖直段的一端与所述腿部固定件固定相连。

7.如权利要求5所述的助力式踝关节外骨骼，其特征在于：所述腿部固定件包括用于穿戴并支撑于用户小腿上的刚性支撑架和用于将所述刚性支撑架绑定于用户小腿上的绑带。

8.如权利要求1至3任一项所述的助力式踝关节外骨骼，其特征在于：所述助力式踝关节外骨骼还包括用于监测并反馈所述用户步态相位的惯性测量单元、用于接收所述惯性测量单元反馈的步态相位信息并发送控制指令控制所述动力装置以辅助用户步态调整的控制器，所述惯性测量单元包含至少一个用于对用户腿部的运动参数进行实时获取并反馈给所述控制器的惯性传感器。

9.如权利要求8所述的助力式踝关节外骨骼，其特征在于：所述惯性测量单元包括布置于用户足部的第一惯性传感器、布置于用户小腿前侧的第二惯性传感器和布置于用户大腿前侧的第三惯性传感器。

10.如权利要求8所述的助力式踝关节外骨骼，其特征在于：所述助力式踝关节外骨骼还包括用于获取用户足底压力大小与分布并反馈给所述控制器的压力传感器。

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