CN112603776B - 基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器 - Google Patents
基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112603776B CN112603776B CN202011549413.7A CN202011549413A CN112603776B CN 112603776 B CN112603776 B CN 112603776B CN 202011549413 A CN202011549413 A CN 202011549413A CN 112603776 B CN112603776 B CN 112603776B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- knee joint
- supporting plate
- auxiliary supporting
- hip joint
- thigh
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 210000000629 knee joint Anatomy 0.000 claims abstract description 141
- 210000004394 hip joint Anatomy 0.000 claims abstract description 100
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 claims abstract description 79
- 210000003141 lower extremity Anatomy 0.000 claims abstract description 75
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 24
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 claims abstract description 14
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 claims description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 6
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 3
- 210000003127 knee Anatomy 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 26
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 4
- 230000003183 myoelectrical effect Effects 0.000 abstract description 3
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 abstract description 2
- 208000014674 injury Diseases 0.000 abstract description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 2
- 201000010099 disease Diseases 0.000 abstract 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 abstract 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 20
- 238000002567 electromyography Methods 0.000 description 13
- 210000003314 quadriceps muscle Anatomy 0.000 description 8
- 238000012549 training Methods 0.000 description 4
- 210000001624 hip Anatomy 0.000 description 3
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 3
- 230000036541 health Effects 0.000 description 2
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 2
- 206010033799 Paralysis Diseases 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 244000309466 calf Species 0.000 description 1
- 230000009194 climbing Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000005021 gait Effects 0.000 description 1
- 210000002414 leg Anatomy 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
- A61H2003/005—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about with knee, leg or stump rests
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H3/00—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about
- A61H2003/007—Appliances for aiding patients or disabled persons to walk about secured to the patient, e.g. with belts
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/12—Driving means
- A61H2201/1207—Driving means with electric or magnetic drive
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/14—Special force transmission means, i.e. between the driving means and the interface with the user
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/16—Physical interface with patient
- A61H2201/1602—Physical interface with patient kind of interface, e.g. head rest, knee support or lumbar support
- A61H2201/164—Feet or leg, e.g. pedal
- A61H2201/1642—Holding means therefor
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/16—Physical interface with patient
- A61H2201/1657—Movement of interface, i.e. force application means
- A61H2201/1659—Free spatial automatic movement of interface within a working area, e.g. Robot
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/50—Control means thereof
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/50—Control means thereof
- A61H2201/5058—Sensors or detectors
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2201/00—Characteristics of apparatus not provided for in the preceding codes
- A61H2201/50—Control means thereof
- A61H2201/5058—Sensors or detectors
- A61H2201/5071—Pressure sensors
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2205/00—Devices for specific parts of the body
- A61H2205/08—Trunk
- A61H2205/085—Crotch
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2205/00—Devices for specific parts of the body
- A61H2205/10—Leg
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2205/00—Devices for specific parts of the body
- A61H2205/10—Leg
- A61H2205/102—Knee
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2230/00—Measuring physical parameters of the user
- A61H2230/08—Other bio-electrical signals
- A61H2230/085—Other bio-electrical signals used as a control parameter for the apparatus
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61H—PHYSICAL THERAPY APPARATUS, e.g. DEVICES FOR LOCATING OR STIMULATING REFLEX POINTS IN THE BODY; ARTIFICIAL RESPIRATION; MASSAGE; BATHING DEVICES FOR SPECIAL THERAPEUTIC OR HYGIENIC PURPOSES OR SPECIFIC PARTS OF THE BODY
- A61H2230/00—Measuring physical parameters of the user
- A61H2230/62—Posture
- A61H2230/625—Posture used as a control parameter for the apparatus
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Pain & Pain Management (AREA)
- Physical Education & Sports Medicine (AREA)
- Rehabilitation Therapy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Rehabilitation Tools (AREA)
Abstract
本发明公开了基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器及其控制方法。电机直驱与液压驱动的外骨骼辅助器容易使患者二次受伤。本发明包括大腿外辅助支撑板、大腿内辅助支撑板、膝关节辅助支撑板、踏板、膝关节牵引绳、髋关节牵引绳、髋关节线轮Ⅰ、髋关节线轮Ⅱ、膝关节滑轮、髋关节绑缚件、膝关节绑缚件和膝关节牵引轮;驱动机构经髋关节牵引绳驱动大腿外辅助支撑板和大腿内辅助支撑板,经膝关节牵引绳驱动膝关节辅助支撑板。本发明实时监测下肢的肌电信号、角度信号和足底压力信号,保障了人机交互功能;采取牵引绳驱动下肢,具有柔顺性好的特点,避免因电机启停产生的瞬时力矩对病患产生二次伤害。
Description
技术领域
本发明属于医疗卫生器械领域,具体涉及一种基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器及其控制方法。
背景技术
半主动下肢外骨骼辅助器是融合传感、控制、信息、移动计算,能够通过机器引导肢体做各种指定的重复性康复训练的辅助装置。近年来半主动下肢外骨骼辅助器得到了迅速发展,在医疗卫生领域普遍推广。该辅助器可以帮助整个医疗体系空出大部分人力资源,分配给其他医疗领域。此外下肢外骨骼辅助器可以和患者通过人-机-人信息转达实现高度的统一,康复训练过程中外骨骼辅助器就发挥了显著的优势。但目前传统的下肢外骨骼辅助器大多是由各种刚性驱动机构组成,每个关节都具备独立的驱动单元,体积大、重量大、不便携带,还有可能因为人机系统学/动力学的不同反而阻碍患者获得正常的行走步态。并且外骨骼辅助器普遍采用电机直驱与液压驱动的方式,瞬间产生的超大力矩可能使患者二次受伤,导致人体的舒适度和安全性较差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器及其控制方法,摒弃传统电机直接驱动的形式,采取电机间接带动滑轮组驱动,绳轮组合不会在人体下肢部分产生过大的力矩,以防止对人体组织产生二次伤害,可以满足患者康复训练完整性和舒适性的要求。
本发明基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器,包括下肢行走装置、驱动机构、腰带和运动传感装置;所述的下肢行走装置包括大腿外辅助支撑板、大腿内辅助支撑板、膝关节辅助支撑板、踏板、膝关节牵引绳、髋关节牵引绳、髋关节线轮Ⅰ、髋关节线轮II、膝关节滑轮、髋关节绑缚件、膝关节绑缚件和膝关节牵引轮;大腿外辅助支撑板和大腿内辅助支撑板的上端通过上枢轴固定,下端通过下枢轴固定;所述的髋关节滑轮Ⅰ和髋关节滑轮II 均固定在上枢轴上;膝关节滑轮与支撑轴构成转动副;两个膝关节牵引轮固定在支撑轴两端,且两个膝关节牵引轮与大腿外辅助支撑板和大腿内辅助支撑板开设的滑轮槽分别构成圆柱副;髋关节牵引绳绕制在髋关节线轮Ⅰ上,一端与髋关节线轮Ⅰ固定,另一端由驱动机构驱动;膝关节牵引绳绕过膝关节滑轮,且一端固定在髋关节线轮II上,另一端由驱动机构驱动;所述膝关节辅助支撑板的顶端与膝关节牵引轮固定,底端与踏板固定;大腿内辅助支撑板上固定有髋关节绑缚件,膝关节辅助支撑板上固定有膝关节绑缚件。所述的下肢行走装置设有两个,两个下肢行走装置的大腿内辅助支撑板相对设置,两个下肢行走装置共用一个驱动机构;驱动机构上固定有腰带。
所述的运动传感装置包括肌电图传感器、角度传感器和足底压力传感器;各下肢行走装置中,其中一个膝关节牵引轮的端面固定有一个角度传感器,角度传感器检测膝关节滑轮的转角信号;两个下肢行走装置的踏板顶面均固定一个足底压力传感器;所述的肌电图传感器共两组,每组有六个;肌电图传感器、角度传感器和足底压力传感器的信号输出端均接控制器。
所述的驱动机构包括膝关节输出电机、电磁离合器Ⅰ、电磁离合器Ⅱ、髋关节输出电机和外壳;所述髋关节输出电机和膝关节输出电机的壳体均通过电机座固定在外壳内;髋关节输出电机和膝关节输出电机均设有两根输出轴;髋关节输出电机的每根输出轴与一根转轴Ⅱ通过电磁离合器Ⅱ连接,膝关节输出电机的每根输出轴与一根转轴Ⅰ通过电磁离合器Ⅰ连接;转轴Ⅰ和转轴Ⅱ均与外壳构成转动副;两根转轴Ⅱ与两个下肢行走装置的髋关节牵引绳分别固定;两根转轴Ⅰ与两个下肢行走装置的膝关节牵引绳分别固定;电磁离合器Ⅰ、电磁离合器Ⅱ、髋关节输出电机和膝关节输出电机均由控制器控制。
髋关节输出电机和膝关节输出电机的扭矩设计如下:
当人体大腿绑缚在髋关节绑缚件上,人体小腿绑缚在膝关节绑缚件上,且髋关节输出电机和膝关节输出电机转动时,大腿位置的动能KA和大腿位置的重力势能PA计算如下:
其中,mA为大腿外辅助支撑板、上枢轴、大腿内辅助支撑板、下枢轴、髋关节线轮Ⅰ、髋关节线轮II和人体大腿的质量和,θ1为大腿外辅助支撑板与竖直线的夹角,为θ1对时间的一次导数,LA为大腿外辅助支撑板、上枢轴、大腿内辅助支撑板、下枢轴、髋关节线轮Ⅰ和髋关节线轮II构成的组件质心到上枢轴的距离,g为重力加速度;
小腿位置的动能KB和小腿位置的重力势能PB计算如下:
其中,mB为膝关节滑轮、支撑轴、两个膝关节牵引轮、膝关节辅助支撑板和人体小腿的质量和;LB为膝关节滑轮、支撑轴、两个膝关节牵引轮和膝关节辅助支撑板构成的组件质心到支撑轴的距离,L1和L2分别为大腿外辅助支撑板和膝关节辅助支撑板的长度;θ2为大腿外辅助支撑板与膝关节辅助支撑板的夹角;为θ2对时间的一次导数。
则针对下肢行走装置建立拉格朗日函数L如下:
其中,K为下肢行走装置的系统动能,P为下肢行走装置的系统重力势能;
由式(1)得:
则根据预设的θ1和θ2随时间的变化规律,计算得到与θ1值对应的髋关节输出电机施加的扭矩T1和与θ2值对应的膝关节输出电机施加的扭矩T2为:
优选地,所述电机座的顶部固定有上盖板;电池固定在上盖板上;髋关节输出电机、膝关节输出电机和控制器均由电池供电。
该基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器的控制方法,具体如下:
步骤一、将腰带绑缚在穿戴者腰部,两个下肢行走装置的髋关节绑缚件分别绑缚在穿戴者的两只大腿上,两个下肢行走装置的膝关节绑缚件分别绑缚在穿戴者的两只小腿上,穿戴者双脚分别踩在两个下肢行走装置的踏板上,一组的六个肌电图传感器分别粘贴在左肢的股薄肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌、缝匠肌和股直肌位置处,另一组的六个肌电图传感器分别粘贴在右肢的股薄肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌、缝匠肌和股直肌位置处。
步骤二、足底压力传感器将检测到的外部压力转化为电信号传送给控制器,各肌电图传感器将检测到的肌电信号传送给控制器,控制器判断穿戴者的起立、坐下、行走、站立意图,根据预设的起立过程、坐下过程、行走过程以及站立状态的θ1和θ2随时间的变化规律,控制髋关节输出电机和膝关节输出电机的输出扭矩变化规律,并根据执行起立、坐下、行走或站立动作需要的下肢控制各电磁离合器Ⅰ和电磁离合器Ⅱ的离合。
步骤三、髋关节输出电机的动力经髋关节牵引绳、髋关节滑轮Ⅰ和上枢轴传递给大腿外辅助支撑板和大腿内辅助支撑板,从而带动穿戴者的大腿运动;膝关节输出电机的动力经膝关节牵引绳带动膝关节滑轮、支撑轴和膝关节牵引轮运动,使得膝关节牵引轮在滑轮槽内滑动。
步骤四、若控制器判断出足底压力传感器检测到的外部压力与预先采集的下肢处于起立状态、坐下状态、行走过程脚掌落地状态或站立状态时足底压力传感器的外部压力差值小于阈值,且各肌电图传感器检测到的肌电信号与预先采集的下肢处于起立状态、坐下状态、行走过程脚掌落地状态或站立状态时各肌电图传感器的肌电信号差值小于阈值,则除了在行走过程中控制与脚掌落地状态的那个下肢对应的电磁离合器Ⅰ和电磁离合器Ⅱ分离外,在起立状态、坐下状态或站立状态均控制髋关节输出电机和膝关节输出电机停止转动。
本发明具有的有益效果是:
1、本发明符合人体工程学的设计原则,下肢行走装置与人体的耦合性得到很好的控制,实时监测下肢的肌电信号、角度信号和足底压力信号保障了人机交互功能。
2、本发明通过牵引绳带动滑轮组代替传统电机驱动,采取牵引绳驱动下肢,大大减少了外骨骼的重量,具有结构紧凑、柔顺性好、成本低廉、安全可靠、操作方便的特点,满足下肢瘫痪患者康复训练完整性和舒适性的要求,可以在一人辅助下完成穿戴,而且避免因电机启停产生的瞬时力矩对病患产生二次伤害。
3、本发明为适应不同的病理人群,可调节大腿外辅助支撑板与竖直线的夹角和大腿外辅助支撑板与膝关节辅助支撑板的夹角运动规律。
附图说明
图1为本发明的整体结构立体图;
图2为本发明的二维结构示意图;
图3为本发明中下肢行走装置的结构立体图;
图4为本发明中下肢行走装置的二维结构示意图;
图5为本发明中驱动机构的结构示意图;
图6为本发明中大腿外辅助支撑板与竖直线的夹角和大腿外辅助支撑板与膝关节辅助支撑板的夹角关系示意图;
图7为人体缝匠肌和股直肌位置的示意图;
图8为人体股薄肌、股二头肌、半腱肌和半膜肌位置的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、6和7所示,基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器,包括下肢行走装置6、驱动机构7、腰带8和运动传感装置;如图1、2、3和4所示,下肢行走装置6包括大腿外辅助支撑板1、大腿内辅助支撑板2、膝关节辅助支撑板3、踏板5、膝关节牵引绳10、髋关节牵引绳13、髋关节线轮Ⅰ9、髋关节线轮II12、膝关节滑轮11、髋关节绑缚件14、膝关节绑缚件17和膝关节牵引轮16;大腿外辅助支撑板1和大腿内辅助支撑板2的上端通过上枢轴固定,下端通过下枢轴固定;髋关节滑轮Ⅰ9和髋关节滑轮II12均固定在上枢轴上;膝关节滑轮11与支撑轴构成转动副;两个膝关节牵引轮16固定在支撑轴两端,且两个膝关节牵引轮16与大腿外辅助支撑板1和大腿内辅助支撑板2开设的滑轮槽15分别构成圆柱副(既有滚动又有滑动);髋关节牵引绳13绕制在髋关节线轮Ⅰ9上,一端与髋关节线轮Ⅰ9固定,另一端由驱动机构驱动;驱动机构的驱动转化为髋关节牵引绳13的绕动实现髋关节的旋转 (大腿外辅助支撑板1和大腿内辅助支撑板2绕上枢轴旋转);膝关节牵引绳10绕过膝关节滑轮11,且一端固定在髋关节线轮II12上,另一端由驱动机构驱动;驱动机构的驱动转化为膝关节滑轮11在滑轮槽15内的爬升运动;膝关节辅助支撑板3顶端与膝关节牵引轮16固定,底端与踏板5固定;大腿内辅助支撑板2上固定有髋关节绑缚件14,膝关节辅助支撑板3上固定有膝关节绑缚件17。下肢行走装置设有两个,两个下肢行走装置的大腿内辅助支撑板2相对设置,两个下肢行走装置共用一个驱动机构;驱动机构上固定有腰带8。
如图1、6、7和8所示,运动传感装置包括肌电图传感器、角度传感器和足底压力传感器4;各下肢行走装置中,其中一个膝关节牵引轮16的端面固定有一个角度传感器,角度传感器检测膝关节滑轮11的转角信号,从而检测大腿外辅助支撑板1相对膝关节辅助支撑板3的转角信号;两个下肢行走装置的踏板5顶面均固定一个足底压力传感器4,检测人体足部的压力信号;肌电图传感器共两组,每组有六个;使用时,每组的六个肌电图传感器分别放置在一个下肢的股薄肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌、缝匠肌和股直肌位置处,采集运动时的肌电信息;肌电图传感器、角度传感器和足底压力传感器4的信号输出端均接控制器19。
如图5所示,驱动机构7包括膝关节输出电机21、电磁离合器Ⅰ22、电磁离合器Ⅱ23、髋关节输出电机24和外壳25;髋关节输出电机24和膝关节输出电机21的壳体均通过电机座固定在外壳25内;髋关节输出电机24和膝关节输出电机21均设有两根输出轴;髋关节输出电机24的每根输出轴与一根转轴Ⅱ通过电磁离合器Ⅱ23连接,膝关节输出电机21的每根输出轴与一根转轴Ⅰ通过电磁离合器Ⅰ22连接;转轴Ⅰ和转轴Ⅱ均与外壳25构成转动副;两根转轴Ⅱ与两个下肢行走装置的髋关节牵引绳13分别固定;两根转轴Ⅰ与两个下肢行走装置的膝关节牵引绳10分别固定;电磁离合器Ⅰ22、电磁离合器Ⅱ23、髋关节输出电机24和膝关节输出电机21均由控制器19控制。
作为一个优选实施例,电机座顶部固定有上盖板20;电池18固定在上盖板20上;髋关节输出电机24、膝关节输出电机21和控制器19均由电池20 供电。
如图6所示,髋关节输出电机24和膝关节输出电机21的扭矩设计如下:
当人体大腿绑缚在髋关节绑缚件14上,人体小腿绑缚在膝关节绑缚件17 上,且髋关节输出电机24和膝关节输出电机21转动时,大腿位置的动能KA和大腿位置的重力势能PA计算如下:
其中,mA为大腿外辅助支撑板1、上枢轴、大腿内辅助支撑板2、下枢轴、髋关节线轮Ⅰ9、髋关节线轮II12和人体大腿的质量和,θ1为大腿外辅助支撑板1与竖直线的夹角,为θ1对时间的一次导数,LA为大腿外辅助支撑板1、上枢轴、大腿内辅助支撑板2、下枢轴、髋关节线轮Ⅰ9和髋关节线轮II12构成的组件质心到上枢轴的距离,g为重力加速度;
小腿位置的动能KB和小腿位置的重力势能PB计算如下:
其中,mB为膝关节滑轮11、支撑轴、两个膝关节牵引轮16、膝关节辅助支撑板3和人体小腿的质量和;参照中国成年人身高和标准体重对照表,这里mA在 15~20KG范围内取值,mB在5~15KG范围内取值;LB为膝关节滑轮11、支撑轴、两个膝关节牵引轮16和膝关节辅助支撑板3构成的组件质心到支撑轴的距离,L1和L2分别为大腿外辅助支撑板1和膝关节辅助支撑板3的长度;θ2为大腿外辅助支撑板1与膝关节辅助支撑板3的夹角,由于运动过程中膝关节辅助支撑板3 始终处于竖直状态,因此,θ1和θ2始终相等,所以只需要通过角度传感器测量出膝关节滑轮11的转角即可得到θ1和θ2的值;为θ2对时间的一次导数。
则针对下肢行走装置建立拉格朗日函数L如下:
其中,K为下肢行走装置的系统动能,P为下肢行走装置的系统重力势能;
由式(1)得:
则根据预设的θ1和θ2随时间的变化规律(预先采集正常人起立过程、坐下过程、行走过程以及站立状态的θ1和θ2随时间的变化规律,预设的θ1和θ2随时间的变化规律按照正常人起立过程、坐下过程、行走过程以及站立状态的θ1和θ2随时间的变化规律),计算得到与θ1值对应的髋关节输出电机24施加的扭矩T1和与θ2值对应的膝关节输出电机21施加的扭矩T2为:
该基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器的控制方法,具体如下:
步骤一、将腰带8绑缚在穿戴者腰部,两个下肢行走装置的髋关节绑缚件14分别绑缚在穿戴者的两只大腿上,两个下肢行走装置的膝关节绑缚件17 分别绑缚在穿戴者的两只小腿上,穿戴者双脚分别踩在两个下肢行走装置的踏板5上,一组的六个肌电图传感器分别粘贴在左肢的股薄肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌、缝匠肌和股直肌位置处,另一组的六个肌电图传感器分别粘贴在右肢的股薄肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌、缝匠肌和股直肌位置处,如图7和8所示。
步骤二、足底压力传感器4将检测到的外部压力转化为电信号传送给控制器19,各肌电图传感器将检测到的肌电信号传送给控制器19,控制器19 判断穿戴者的起立、坐下、行走、站立意图(正常人在起立过程、坐下过程或行走过程中,足底的压力信号以及股薄肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌、缝匠肌和股直肌的肌电信号会出现特定的变化过程,处于站立状态时,足底的压力信号以及股薄肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌、缝匠肌和股直肌的肌电信号也处于一种特定的状态,只需预先采集这些信号,便能判断穿戴者的起立、坐下、行走、站立意图),根据预设的起立过程、坐下过程、行走过程以及站立状态的θ1和θ2随时间的变化规律,控制髋关节输出电机24和膝关节输出电机21的输出扭矩变化规律,并根据执行起立、坐下、行走或站立动作需要的下肢(行走时左、右肢交替动作,其余都是左、右肢同时动作,具体可以根据下肢对应的足底压力传感器和肌电图传感器判断左、右肢是否需要动作)控制各电磁离合器Ⅰ22和电磁离合器Ⅱ23的离合。
步骤三、髋关节输出电机24的动力经髋关节牵引绳13、髋关节滑轮Ⅰ9 和上枢轴传递给大腿外辅助支撑板1和大腿内辅助支撑板2,从而带动穿戴者的大腿运动;膝关节输出电机21的动力经膝关节牵引绳10带动膝关节滑轮 11、支撑轴和膝关节牵引轮16运动,使得膝关节牵引轮16在滑轮槽15内滑动。
步骤四、若控制器19判断出足底压力传感器4检测到的外部压力与预先采集的下肢处于起立状态、坐下状态、行走过程脚掌落地状态或站立状态时足底压力传感器4的外部压力差值小于阈值,且各肌电图传感器检测到的肌电信号与预先采集的下肢处于起立状态、坐下状态、行走过程脚掌落地状态或站立状态时各肌电图传感器的肌电信号差值小于阈值,则除了在行走过程中控制与脚掌落地状态的那个下肢对应的电磁离合器Ⅰ22和电磁离合器Ⅱ23 分离外,在起立状态、坐下状态或站立状态均控制髋关节输出电机24和膝关节输出电机21停止转动。
Claims (2)
1.基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器,包括下肢行走装置、驱动机构、腰带和运动传感装置,其特征在于:所述的下肢行走装置包括大腿外辅助支撑板、大腿内辅助支撑板、膝关节辅助支撑板、踏板、膝关节牵引绳、髋关节牵引绳、髋关节线轮Ⅰ、髋关节线轮II、膝关节滑轮、髋关节绑缚件、膝关节绑缚件和膝关节牵引轮;大腿外辅助支撑板和大腿内辅助支撑板的上端通过上枢轴固定,下端通过下枢轴固定;所述的髋关节线轮Ⅰ和髋关节线轮II均固定在上枢轴上;膝关节滑轮与支撑轴构成转动副;两个膝关节牵引轮固定在支撑轴两端,且两个膝关节牵引轮与大腿外辅助支撑板和大腿内辅助支撑板开设的滑轮槽分别构成圆柱副;髋关节牵引绳绕制在髋关节线轮Ⅰ上,一端与髋关节线轮Ⅰ固定,另一端由驱动机构驱动;膝关节牵引绳绕过膝关节滑轮,且一端固定在髋关节线轮II上,另一端由驱动机构驱动;所述膝关节辅助支撑板的顶端与膝关节牵引轮固定,底端与踏板固定;大腿内辅助支撑板上固定有髋关节绑缚件,膝关节辅助支撑板上固定有膝关节绑缚件;所述的下肢行走装置设有两个,两个下肢行走装置的大腿内辅助支撑板相对设置,两个下肢行走装置共用一个驱动机构;驱动机构上固定有腰带;
所述的运动传感装置包括肌电图传感器、角度传感器和足底压力传感器;各下肢行走装置中,其中一个膝关节牵引轮的端面固定有一个角度传感器,角度传感器检测膝关节滑轮的转角信号;两个下肢行走装置的踏板顶面均固定一个足底压力传感器;所述的肌电图传感器共两组,每组有六个;肌电图传感器、角度传感器和足底压力传感器的信号输出端均接控制器;
所述的驱动机构包括膝关节输出电机、电磁离合器Ⅰ、电磁离合器Ⅱ、髋关节输出电机和外壳;所述髋关节输出电机和膝关节输出电机的壳体均通过电机座固定在外壳内;髋关节输出电机和膝关节输出电机均设有两根输出轴;髋关节输出电机的每根输出轴与一根转轴Ⅱ通过电磁离合器Ⅱ连接,膝关节输出电机的每根输出轴与一根转轴Ⅰ通过电磁离合器Ⅰ连接;转轴Ⅰ和转轴Ⅱ均与外壳构成转动副;两根转轴Ⅱ与两个下肢行走装置的髋关节牵引绳分别固定;两根转轴Ⅰ与两个下肢行走装置的膝关节牵引绳分别固定;电磁离合器Ⅰ、电磁离合器Ⅱ、髋关节输出电机和膝关节输出电机均由控制器控制;
髋关节输出电机和膝关节输出电机的扭矩设计如下:
当人体大腿绑缚在髋关节绑缚件上,人体小腿绑缚在膝关节绑缚件上,且髋关节输出电机和膝关节输出电机转动时,大腿位置的动能KA和大腿位置的重力势能PA计算如下:
其中,mA为大腿外辅助支撑板、上枢轴、大腿内辅助支撑板、下枢轴、髋关节线轮Ⅰ、髋关节线轮II和人体大腿的质量和,θ1为大腿外辅助支撑板与竖直线的夹角,为θ1对时间的一次导数,LA为大腿外辅助支撑板、上枢轴、大腿内辅助支撑板、下枢轴、髋关节线轮Ⅰ和髋关节线轮II构成的组件质心到上枢轴的距离,g为重力加速度;
小腿位置的动能KB和小腿位置的重力势能PB计算如下:
其中,mB为膝关节滑轮、支撑轴、两个膝关节牵引轮、膝关节辅助支撑板和人体小腿的质量和;LB为膝关节滑轮、支撑轴、两个膝关节牵引轮和膝关节辅助支撑板构成的组件质心到支撑轴的距离,L1和L2分别为大腿外辅助支撑板和膝关节辅助支撑板的长度;θ2为大腿外辅助支撑板与膝关节辅助支撑板的夹角;为θ2对时间的一次导数;
则针对下肢行走装置建立拉格朗日函数L如下:
其中,K为下肢行走装置的系统动能,P为下肢行走装置的系统重力势能;
由式(1)得:
则根据预设的θ1和θ2随时间的变化规律,计算得到与θ1值对应的髋关节输出电机施加的扭矩T1和与θ2值对应的膝关节输出电机施加的扭矩T2为:
2.根据权利要求1所述基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器,其特征在于:所述电机座的顶部固定有上盖板;电池固定在上盖板上;髋关节输出电机、膝关节输出电机和控制器均由电池供电。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202011549413.7A CN112603776B (zh) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | 基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202011549413.7A CN112603776B (zh) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | 基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN112603776A CN112603776A (zh) | 2021-04-06 |
CN112603776B true CN112603776B (zh) | 2022-10-21 |
Family
ID=75244696
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202011549413.7A Active CN112603776B (zh) | 2020-12-24 | 2020-12-24 | 基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN112603776B (zh) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116059085B (zh) * | 2022-12-08 | 2024-09-03 | 河北工业大学 | 一种可调式下肢外骨骼康复机器人 |
CN117462371B (zh) * | 2023-12-28 | 2024-04-05 | 中国科学院自动化研究所 | 一种二自由度运动辅助的膝关节外骨骼机器人 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7190141B1 (en) * | 2006-01-27 | 2007-03-13 | Villanova University | Exoskeletal device for rehabilitation |
CN102088933A (zh) * | 2008-05-20 | 2011-06-08 | 伯克利仿生技术公司 | 通过使用下肢外骨骼来减少人的能量消耗的设备和方法 |
CN106901947A (zh) * | 2015-12-22 | 2017-06-30 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 可穿戴式下肢外骨骼助力行走机器人机构 |
CN108721062A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-11-02 | 长春大学 | 具有能量回收功能的轻量化助行装置 |
CN110695959A (zh) * | 2019-08-27 | 2020-01-17 | 成都锦江电子系统工程有限公司 | 外骨骼机器人及其控制系统 |
CN111568703A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-08-25 | 大连交通大学 | 柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10070983B2 (en) * | 2015-09-11 | 2018-09-11 | Spring Loaded Technology Incorporated | Hinge for a brace |
CN109528451B (zh) * | 2018-09-14 | 2019-10-08 | 华中科技大学 | 一种基于离合器分时调控的髋膝双关节被动外骨骼装置 |
-
2020
- 2020-12-24 CN CN202011549413.7A patent/CN112603776B/zh active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7190141B1 (en) * | 2006-01-27 | 2007-03-13 | Villanova University | Exoskeletal device for rehabilitation |
CN102088933A (zh) * | 2008-05-20 | 2011-06-08 | 伯克利仿生技术公司 | 通过使用下肢外骨骼来减少人的能量消耗的设备和方法 |
CN106901947A (zh) * | 2015-12-22 | 2017-06-30 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 可穿戴式下肢外骨骼助力行走机器人机构 |
CN108721062A (zh) * | 2018-07-23 | 2018-11-02 | 长春大学 | 具有能量回收功能的轻量化助行装置 |
CN110695959A (zh) * | 2019-08-27 | 2020-01-17 | 成都锦江电子系统工程有限公司 | 外骨骼机器人及其控制系统 |
CN111568703A (zh) * | 2020-05-18 | 2020-08-25 | 大连交通大学 | 柔性下肢外骨骼机器人及仿生控制方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN112603776A (zh) | 2021-04-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109172289B (zh) | 基于多功能驱动器的髋关节康复外骨骼及其运动控制方法 | |
CN112603776B (zh) | 基于绳轮组合的半主动下肢外骨骼辅助器 | |
Lerner et al. | A robotic exoskeleton for treatment of crouch gait in children with cerebral palsy: Design and initial application | |
CN107997929B (zh) | 一种基于主动意图控制的便携式踝关节康复机器人 | |
US8409117B2 (en) | Wearable device to assist with the movement of limbs | |
CN106264988B (zh) | 外骨骼踝关节机器装置 | |
CN107708641B (zh) | 坐式步行康复机器人 | |
CN109846672B (zh) | 可变刚度的踝足康复矫形器及其运动控制方法 | |
JP3530959B2 (ja) | 平地歩行、階段歩行の電動補助装置 | |
CN206612922U (zh) | 一种足踝助力机器人 | |
CN214511821U (zh) | 一种绳拉式柔性下肢外骨骼助力机器人 | |
Shorter et al. | Experimental evaluation of a portable powered ankle-foot orthosis | |
CN114367080B (zh) | 一种面向下肢康复训练的智能医疗机器人 | |
CN111531523B (zh) | 一种助力行走及辅助支撑机构 | |
CN112603752A (zh) | 一种绳拉式柔性下肢外骨骼助力机器人及其运动控制方法 | |
WO2022110111A1 (zh) | 足下垂康复外骨骼机器人及自适应步态辅助控制方法 | |
CN215021626U (zh) | 基于绳轮组合的下肢外骨骼辅助器 | |
Kang et al. | Design and validation of a torque controllable hip exoskeleton for walking assistance | |
CN113520786A (zh) | 一种穿戴式下肢外骨骼辅助行走机器人 | |
CN211273391U (zh) | 一种利用上肢拉力辅助下肢锻炼的康复健身器 | |
CN110559157B (zh) | 一种踝关节运动辅助装置 | |
TWI555556B (zh) | 氣壓式驅動下肢步態復健訓練系統 | |
CN114642572A (zh) | 一种单侧下肢外骨骼助行机器人及其助力控制方法 | |
Nacy et al. | A review of lower limb exoskeletons | |
TWM505953U (zh) | 氣壓式驅動下肢步態復健訓練系統 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |