CN112472529B - 一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置，包括：柔性助力结构、姿态测量单元和电机模组；所述柔性助力结构包括腰部固定带、柔性织带、第一膝部固定带和第二膝部固定带；还公开了一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置的控制方法，包括以下步骤：姿态测量单元采集自由腿的步态周期数据，根据获取到的步态周期数据生成需要电机模组电机旋转的速度曲线，当检测到自由腿进入支撑相后助力开始，电机模组根据预先生成的速度曲线控制电机的旋转从而控制柔性织带的伸缩，带动受助腿完成一个助力时长内的活动。本发明安装简单，穿戴方便，最大限度地降低了设备重量，从而降低了穿戴者的额外负重，增强了助力效果。

Description

一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及助力机构技术领域，更具体的说是涉及一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置及其控制方法。

背景技术

俗语言“人老先老腿”，越来越多的老年人面临着迈腿障碍，从而影响日常的行走运动。利用可穿戴行走助力外骨骼可以降低老年人的迈腿负担，然而这类外骨骼系统往往包含成对的电池、电机、驱动电路以及作动机构(柔性织带或鲍登线)等多个设备，较为沉重，在实现辅助行走的同时也为老年人带来额外的负担。

考虑到老年人往往某单腿行走障碍严重，尤其轻度偏瘫患者，行走中表现为跛脚状态，可见老年人对助力的是受制的单侧腿需求较高。

因此，提供一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置及其控制方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置及其控制方法，解决了对单侧腿活动受限的患者提供适配的助力装置的需求问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置，穿戴于单侧腿活动受限制的患者身上，其中，活动受限制的一条腿为受助腿，活动未受限制的一条腿为自由腿，包括：柔性助力结构、姿态测量单元和电机模组；

所述柔性助力结构包括腰部固定带、柔性织带、第一膝部固定带和第二膝部固定带；

所述姿态测量单元，通过所述第一膝部固定带固定在穿戴者的所述自由腿上，用于采集自由腿的步态周期数据；

所述电机模组通过所述腰部固定带固定在穿戴者受助腿一侧的腰部，且所述电机模组与所述柔性织带的一端相连，所述柔性织带的另一端与所述第二膝部固定带相连，所述第二膝部固定带穿戴在穿戴者的受助腿的膝盖部位；

所述电机模组用于接收所述姿态测量单元所采集到的步态周期数据，并根据所采集到的步态周期数据调整转速控制所述柔性织带的伸缩。

优选的，还包括电源组件，所述电源组件与所述电机模组电连接，通过所述腰部固定带安装在穿戴者腰部。

优选的，所述姿态测量单元与所述电机模组通过无线通信方式实现信息的传递。

一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置的控制方法，包括以下步骤：

S1.将姿态测量单元通过第一膝部固定带固定在穿戴者的自由腿上，将电机模组通过腰部固定带固定在穿戴者受助腿一侧的腰部，柔性织带的一端安装在所述电机模组上，另一端与第二膝部固定带固定连接，所述第二膝部固定带穿戴于穿戴者受助腿的膝部；

S2.姿态测量单元采集自由腿的步态周期数据，根据获取到的步态周期数据生成需要电机模组电机旋转的速度曲线，并发送至所述电机模组，步态周期数据包括在受助腿所需受到助力的助力时长和一个助力时长内自由腿摆动的姿态角度；其中，一个助力时长为自由腿从进入摆动相的时刻到进入支撑相的时刻之间的间隔时间；

S3.将检测到自由腿进入支撑相作为助力标志，当检测到助力标志后助力开始，电机模组根据预先生成的速度曲线控制电机的旋转从而控制所述柔性织带的伸缩，带动受助腿完成一个助力时长内的活动。

优选的，S3中的所述助力标志的检测方法包括以下内容：

a)初始化一个记录姿态角度的角度滑动窗口，设置窗口长度设为5，并对助力标志和所述滑动窗口数值清零；；

b)滑动读取自由腿摆动的姿态角度，且保证所述角度滑动窗口最后一个值为最新值；

c)根据所述角度滑动窗口内数据设置助力标志；

判断所述角度滑动窗口内的数据是否满足前三个值依次递减且后三个值依次递增的条件；若否，则返回步骤b)；若是，则判断最后一个值是否小于设定阈值，若是则置助力标志为不助力，否则返回步骤b)；

判断所述角度滑动窗口内的数据是否满足前三个值依次递增且后三个值依次递减的条件；若否，则返回步骤b)；若是，则判断最后一个值是否大于设定阈值，若是则置助力标志为助力，否则返回步骤b)。

优选的，所述助力时长的计算方法流程如下：

e)初始化一个所述助力标志的标志滑动窗口，设置助力长度，并对所述标志滑动窗口值清零；

f)滑动读取所述助力标志，且保证最后一个值为最新值；

g)对所述标志滑动窗口的数值按序进行如下判断：

当两个所述助力标志均设置为助力时，则助力时长按采样周期进行递增；

若前一所述助力标志设置为助力而后一所述助力标志设置为不助力时，则输出此时的助力时长即为下一步的有效助力时长，并返回步骤f)，否则直接返回步骤f)。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置及其控制方法，该装置安装简单，穿戴方便，在满足为穿戴者尤其单腿运动障碍者行走助力的前提下，最大限度地降低了设备重量，从而降低了穿戴者的额外负重，增强了助力效果，而且本发明巧妙地利用人体双腿左右步态类似镜像的关系，识别自由腿步态，自由腿进入支撑相后开始对受助腿进行提拉助力，相对于现有技术中的控制方法来说更加简便，实用性更强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置安装示意图；

图2附图为本发明提供的一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置的工作原理图；

图3附图为本发明提供的一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置的控制方法中助力标志的检测方法流程图；

图4附图为本发明提供的一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置的控制方法中的助力时长计算方法流程图；

其中：1为电机模组，2为电源组件，3为柔性织带，4为姿态测量单元，5为腰部固定带，6为第二膝部固定带，7为第一膝部固定带。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置，穿戴于单侧腿活动受限制的患者身上，其中，活动受限制的一条腿为受助腿，活动未受限制的一条腿为自由腿，包括：柔性助力结构、姿态测量单元4和电机模组1；

柔性助力结构包括腰部固定带5、柔性织带3、第一膝部固定带7和第二膝部固定带6；

姿态测量单元4，通过第一膝部固定带7固定在穿戴者的自由腿上，用于采集自由腿的步态周期数据；

电机模组1通过腰部固定带5固定在穿戴者受助腿一侧的腰部，且电机模组1与柔性织带3的一端相连，柔性织带3的另一端与第二膝部固定带6相连，第二膝部固定带6穿戴在穿戴者的受助腿的膝盖部位；

电机模组1用于接收姿态测量单元4所采集到的步态周期数据，并根据所采集到的步态周期数据调整转速控制柔性织带3的伸缩。

为了进一步实施上述技术方案，还包括电源组件2，电源组件2与电机模组1电连接，通过腰部固定带5安装在穿戴者腰部。

为了进一步实施上述技术方案，姿态测量单元4与电机模组1通过无线通信方式实现信息的传递。

一种单侧可穿戴行走助力外骨骼方法，包括以下步骤：

S1.将姿态测量单元4通过第一膝部固定带7固定在穿戴者的自由腿上，将电机模组1通过腰部固定带5固定在穿戴者受助腿一侧的腰部，柔性织带3的一端安装在电机模组1上，另一端与第二膝部固定带6固定连接，第二膝部固定带6穿戴于穿戴者受助腿的膝部；

S2.姿态测量单元4采集自由腿的步态周期数据，根据获取到的步态周期数据生成需要电机模组1电机旋转的速度曲线，并发送至电机模组1，步态周期数据包括在受助腿所需受到助力的助力时长和一个助力时长内自由腿摆动的姿态角度；其中，一个助力时长为自由腿从进入摆动相的时刻到进入支撑相的时刻之间的间隔时间；

S3.将检测到自由腿进入支撑相作为助力标志，当检测到助力标志后助力开始，电机模组1根据预先生成的速度曲线控制电机的旋转从而控制柔性织带3的伸缩，带动受助腿完成一个助力时长内的活动。

当穿戴者停止行走时，自由腿停止行进，则姿态测量单元无法检出新的助力时长，则电机模组不会旋转，即系统停止对受助腿的助力。

为了进一步实施上述技术方案，S3中的助力标志的检测方法包括以下内容：

a)初始化一个记录姿态角度的角度滑动窗口，窗口长度设为5，并对助力标志和滑动窗口数值清零；

b)滑动读取自由腿摆动的姿态角度，且保证角度滑动窗口最后一个值为最新值；

c)根据角度滑动窗口内数据设置助力标志；

判断角度滑动窗口内的数据是否满足前三个值依次递减且后三个值依次递增的条件；若否，则返回步骤b)；若是，则判断最后一个值是否小于设定阈值，若是则置助力标志为不助力，否则返回步骤b)；

判断角度滑动窗口内的数据是否满足前三个值依次递增且后三个值依次递减的条件；若否，则返回步骤b)；若是，则判断最后一个值是否大于设定阈值，若是则置助力标志为助力，否则返回步骤b)。

其中助力标志为对自由腿步态周期的标记。

为了进一步实施上述技术方案，助力时长的计算方法流程如下：

e)初始化一个助力标志的标志滑动窗口，其长度设为2，并对标志滑动窗口值清零且助力时长设为一个较小值；

f)滑动读取助力标志，且保证最后一个值为最新值；

g)对标志滑动窗口的数值按序进行如下判断：

当两个助力标志均设置为助力时，则助力时长按采样周期进行递增；

若前一助力标志设置为助力而后一助力标志设置为不助力时，则输出此时的助力时长即为下一步的有效助力时长，也就是说姿态测量单元记录当前步态周期内自由腿助力标志为助力的时长，可用于下一步态周期受助腿所需助力时长，并返回步骤f)，否则直接返回步骤f)。

本发明的工作原理如下：

穿戴者自由腿运动的步态周期被姿态测量单元4采集，利用类似镜像关系，识别自由腿步态，自由腿进入支撑相后开始对受助腿进行提拉助力，根据自由腿的步态周期数据获取受助腿的助力时刻以及助力时长，由其生成控制电机模组1电机旋转的速度曲线。其速度曲线可以选择正弦或者三角波曲线。助力时长是利用上一时刻自由腿步态支撑相的时长确定。姿态测量传感器可测量大腿摆动角度，保证大腿前摆时测得姿态角度ax变小，后摆时姿态角度ax变大。助力时刻开始后，电机模组1按照输入的速度曲线旋转收紧柔性织带3，柔性织带3会对受助腿进行提拉助力。

另外电源组件2为电机模组1供电。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将姿态测量单元通过第一膝部固定带固定在穿戴者的自由腿上，将电机模组通过腰部固定带固定在穿戴者受助腿一侧的腰部，柔性织带的一端安装在所述电机模组上，另一端与第二膝部固定带固定连接，所述第二膝部固定带穿戴于穿戴者受助腿的膝部；

S2.姿态测量单元采集自由腿的步态周期数据，根据获取到的步态周期数据生成需要电机模组电机旋转的速度曲线，并发送至所述电机模组，步态周期数据包括在受助腿所需受到助力的助力时长和一个助力时长内自由腿摆动的姿态角度；其中，一个助力时长为自由腿从进入摆动相的时刻到进入支撑相的时刻之间的间隔时间；

S3.将检测到自由腿进入支撑相作为助力标志，当检测到助力标志后助力开始，电机模组根据预先生成的速度曲线控制电机的旋转从而控制所述柔性织带的伸缩，带动受助腿完成一个助力时长内的活动；

S3中的所述助力标志的检测方法包括以下内容：

a)初始化一个记录姿态角度的角度滑动窗口，设置窗口长度，并对助力标志和所述角度滑动窗口数值清零；

b)滑动读取自由腿摆动的姿态角度，且保证所述角度滑动窗口最后一个值为最新值；

c)根据所述角度滑动窗口内数据设置助力标志；

判断所述角度滑动窗口内的数据是否满足前三个值依次递减且后三个值依次递增的条件；若否，则返回步骤b)；若是，则判断最后一个值是否小于设定阈值，若是则置助力标志为不助力，否则返回步骤b)；

判断所述角度滑动窗口内的数据是否满足前三个值依次递增且后三个值依次递减的条件；若否，则返回步骤b)；若是，则判断最后一个值是否大于设定阈值，若是则置助力标志为助力，否则返回步骤b)。

2.根据权利要求1所述的一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置的控制方法，其特征在于，所述助力时长的计算方法流程如下：

e)初始化一个所述助力标志的标志滑动窗口，设置助力长度，并对所述标志滑动窗口值清零；

f)滑动读取所述助力标志，且保证最后一个值为最新值；

g)对所述标志滑动窗口的数值按序进行如下判断：

当两个所述助力标志均设置为助力时，则助力时长按采样周期进行递增；

若前一所述助力标志设置为助力而后一所述助力标志设置为不助力时，则输出此时的助力时长即为下一步的有效助力时长，并返回步骤f)，否则直接返回步骤f)。

3.一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置，基于权利要求1-2任意一项所述的一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置的控制方法，穿戴于单侧腿活动受限制的患者身上，其中，活动受限制的一条腿为受助腿，活动未受限制的一条腿为自由腿，其特征在于，包括：柔性助力结构、姿态测量单元和电机模组；

所述柔性助力结构包括腰部固定带、柔性织带、第一膝部固定带和第二膝部固定带；

所述姿态测量单元，通过所述第一膝部固定带固定在穿戴者的所述自由腿上，用于采集自由腿的步态周期数据；

所述电机模组通过所述腰部固定带固定在穿戴者受助腿一侧的腰部，且所述电机模组与所述柔性织带的一端相连，所述柔性织带的另一端与所述第二膝部固定带相连，所述第二膝部固定带穿戴在穿戴者的受助腿的膝盖部位；

所述电机模组用于接收所述姿态测量单元所采集到的步态周期数据，并根据所采集到的步态周期数据调整转速控制所述柔性织带的伸缩。

4.根据权利要求3所述的一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置，其特征在于，还包括电源组件，所述电源组件与所述电机模组电连接，通过所述腰部固定带安装在穿戴者腰部。

5.根据权利要求3所述的一种单侧可穿戴行走助力外骨骼装置，其特征在于，所述姿态测量单元与所述电机模组通过无线通信方式实现信息的传递。

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