CN115137619A - 一种下肢仿生机械外骨骼 - Google Patents

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李冰倩
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Abstract

本发明公开一种下肢仿生机械外骨骼，包括：结构相同的左腿外骨骼和右腿外骨骼；左腿外骨骼包括大腿支撑机构，膝关节联动机构，小腿支撑机构和裸关节联动机构；大腿支撑机构和小腿支撑机构通过膝关节联动机构相连接；裸关节联动机构与小腿支撑机构相连接；大腿支撑机构，小腿支撑机构和裸关节联动机构上均安装有传感器贴片；若干个传感器贴片均与人体皮肤贴合，且通过若干个传感器贴片构建有仿真系统。本发明设计的下肢仿生机械外骨骼，实现引导各个主要关节与大腿小腿的配合运动；有利于患者康复行走；且本申请可基于下肢仿生机械外骨骼建立仿生系统，感知外部环境变化，对患者进行优化步态轨迹规划，纠正行走轨迹，恢复腿部自然运动步态。

Description

一种下肢仿生机械外骨骼
技术领域
本发明涉及仿生助力技术领域，特别是涉及一种下肢仿生机械外骨骼。
背景技术
下肢外骨骼系统是近年来的研究热点，由人体、机械结构、传感设备、执行单元和计算中心共同组成，是人机工程学、机械、电子电力、计算机等学科的交叉产物，用来实现人机协同运动，达到延伸人体机能极限和感官维度的目的。下肢康复训练的主要目的是训练血管的神经调节功能以及锻炼肌肉，增强肌肉组织的记忆性。防止肌肉因长期不使用而导致废用性萎缩，也可以防止患者因长时间坐卧而引起的痤疮等。然而，传统的下肢康复训练由于训练装置简单，全程均需要康复师的辅助，在康复师数量和精力有限的情况下，会导致训练时间短暂的问题。
此外，人工训练也会导致康复训练的偏差率和错误率大幅上升，从而制约康复训练的实际疗效。
因此亟需设计一种下肢仿生机械外骨骼，能够记录康复训练过程中的训练数据，并通过建立仿生系统模拟其行走路径，进而纠正下肢行走姿态，有助于训练康复。
发明内容
本发明的目的是提供一种下肢仿生机械外骨骼，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种下肢仿生机械外骨骼，包括：结构相同的左腿外骨骼和右腿外骨骼；所述左腿外骨骼包括大腿支撑机构，膝关节联动机构，小腿支撑机构和裸关节联动机构；所述大腿支撑机构和所述小腿支撑机构通过膝关节联动机构相连接；所述裸关节联动机构与所述小腿支撑机构相连接；所述大腿支撑机构，小腿支撑机构和裸关节联动机构上均安装有传感器贴片；若干个所述传感器贴片均与人体皮肤贴合，且通过若干个所述传感器贴片构建有仿真系统。
所述大腿支撑机构包括大腿绑带和大腿固定架；所述大腿绑带内侧安装有所述传感器贴片；所述大腿绑带与所述大腿固定架顶端连接处位于所述大腿后侧中心；所述大腿固定架为“u”形结构；所述大腿固定架绕大腿两侧与所述膝关节联动机构传动连接。
所述膝关节联动机构包括关节板；所述关节板顶部螺纹安装有大腿连接片；所述大腿连接片与所述大腿固定架通过转动杆转动连接；所述关节板上安装有控制盒和第一联动件；所述第一联动件通过连接件与力偏置片的一端传动连接，且所述第一联动件通过定位轴安装于所述关节板的一侧；
所述关节板另一侧固定安装有所述控制盒；所述关节板另一侧底面还通过缓冲件贯穿所述力偏置片另一端，且所述缓冲件还安装在所述小腿连接片上；所述小腿连接片与所述小腿支撑机构固定连接。
所述关节板上开设有安装孔，所述安装孔内置有轴承；所述连接件的一端通过所述定位轴与所述轴承固定连接；所述连接件的另一端与所述力偏置片一端转动连接；所述轴承为球面轴承。
所述第一联动件包括前端盖和后端盖；所述前端盖和后端盖分设于所述安装孔两侧；所述前端盖与所述连接件一体成型；所述前端盖上限位安装有所述定位轴的一端；所述后端盖插设与所述安装孔内，且与所述定位轴另一端抵接。
所述控制盒内安装有内置电源，位置传感器和速度传感器；所述内置电源与所述位置传感器和速度传感器电性连接。
所述小腿支撑机构包括小腿支撑杆；所述小腿支撑杆设置于远离所述大腿一侧，且所述小腿支撑杆靠近所述大腿一侧安装有至少两个小腿绑带；所述小腿绑带与所述小腿支撑杆连接处均安装有所述传感器贴片；所述小腿支撑杆顶端与所述小腿连接片固定连接。
所述裸关节联动机构包括足底板；所述足底板包括前足板和后足板；所述前足板一侧安装有前弹性组件；所述后足板一侧安装有足部支撑件和后伸缩组件；所述前足板和后足板通过转轴转动连接；所述足部支撑件与所述后足板固定连接，且所述足部支撑件与所述小腿支撑杆底端固定连接；所述足部支撑件上还固定安装有固定结；所述固定结两端分别安装有所述前弹性组件和后伸缩组件。
所述前弹性组件包括两球头座；两所述球头座分别固定安装在所述前足板一侧及固定结一侧；两所述球头座内安装有一伸缩杆；所述伸缩杆两端均安装有球头；所述后伸缩组件包括两固定座；一所述固定座固定安装在所述后足板一侧，另一所述固定座转动安装在所述固定结另一侧；两所述固定座之间安装有弹簧。
所述后足板上还安装有所述脚部束带；所述脚部束带上安装有所述传感器贴片。
本发明公开了以下技术效果：本发明设计的下肢仿生机械外骨骼，实现引导各个主要关节与大腿小腿的配合运动；有利于患者康复行走；且本申请可基于下肢仿生机械外骨骼建立仿生系统，感知外部环境变化，对患者进行优化步态轨迹规划，纠正行走轨迹，恢复腿部自然运动步态。
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为整体结构示意图；
图2为裸关节联动机构结构示意图；
图3为膝关节联动机构侧视图；
其中，1、大腿绑带；11、传感器贴片；12、大腿固定架；13、大腿连接片；2、关节板；21、控制盒；22、力偏置片；23、连接件；24、缓冲件；25、小腿连接片；26、定位轴；27、轴承；28、前端盖；29、后端盖；3、小腿支撑杆；31、小腿绑带；4、足底板；41、前足板；42、后足板；43、足部支撑件；44、固定结；45、脚部束带；46、球头座；47、伸缩杆；48、固定座；49、弹簧。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种下肢仿生机械外骨骼，包括：结构相同的左腿外骨骼和右腿外骨骼；左腿外骨骼包括大腿支撑机构，膝关节联动机构，小腿支撑机构和裸关节联动机构；大腿支撑机构和小腿支撑机构通过膝关节联动机构相连接；裸关节联动机构与小腿支撑机构相连接；大腿支撑机构，小腿支撑机构和裸关节联动机构上均安装有传感器贴片11；若干个传感器贴片11均与人体皮肤贴合，且通过若干个传感器贴片11构建有仿真系统。
大腿支撑机构包括大腿绑带1和大腿固定架12；大腿绑带1内侧安装有传感器贴片11；大腿绑带1与大腿固定架12顶端连接处位于大腿后侧中心；大腿固定架12为“u”形结构；大腿固定架12绕大腿两侧与膝关节联动机构传动连接。
在本发明的一个实施例中，大腿固定架12为双侧冗余半包围式单自由度膝关节，进而保证穿戴的稳固性。
膝关节联动机构包括关节板2；关节板2顶部螺纹安装有大腿连接片13；大腿连接片13与大腿固定架12通过转动杆转动连接；关节板2上安装有控制盒21和第一联动件；第一联动件通过连接件23与力偏置片22的一端传动连接，且第一联动件通过定位轴26安装于关节板2的一侧；
关节板2另一侧固定安装有控制盒21；关节板2另一侧底面还通过缓冲件24贯穿力偏置片22另一端，且所述缓冲件24还安装在小腿连接片25上；小腿连接片25与小腿支撑机构固定连接。
关节板2上开设有安装孔，安装孔内置有轴承27；连接件23的一端通过定位轴26与轴承27固定连接；连接件23的另一端与力偏置片22一端转动连接；轴承27为球面轴承。
在本发明的一个实施例中，缓冲件24为油压缓冲件，当人体直立时，油压缓冲件收缩，缓冲关节板2的冲击力，并支撑关节板2的第一端，减少对膝关节的负重。
具体的，弯曲时，力偏置片25随的小腿部抬起，关节板2的翘起与缓冲件24脱离；同时，轴承27在安装孔内随人体下肢运动沿其轴向发生左右摆动，实现多自由度的运动，降低对下肢弯曲行走的影响。直立时，力偏置片25随小腿部前伸，缓冲件24抵靠关节板2的第一端，起到支撑的作用，减小对膝关节的损伤。
第一联动件包括前端盖28和后端盖29；前端盖28和后端盖29分设于安装孔两侧；前端盖28与连接件23一体成型；前端盖28上限位安装有定位轴26的一端；后端盖29插设与安装孔内，且与定位轴26另一端抵接。
控制盒21内安装有内置电源，位置传感器和速度传感器；内置电源与位置传感器和速度传感器电性连接。
在本发明的一个实施例中，位置传感器和速度传感器还可配合仿真系统进行配合数据处理；通过位置传感器确定膝关节行走路径，通过速度传感器确定其行走路线与速度配合关系，进而确定其行走姿势是否符合正常疲劳度系数。
进一步的，具体数据处理方式如下：采集实时步态加速度Sai(0＜i≤n)，将该值进行高斯低通滤波，以消除噪声，经过高斯滤波后的数据记为Sai'(0＜i≤n)，对经过滤波的数据进行归一化
Figure BDA0003730996830000071
每个使用者首先都会进行数据采集，记录未疲劳状态时的数据
Figure BDA0003730996830000072
实时检测的数据经过高斯滤波与归一化处理后的数据记为Sai，
计算实测值与记录值的相关系数，
Figure BDA0003730996830000073
相关系数取值为0～1，越接近与0，疲劳程度越高。
小腿支撑机构包括小腿支撑杆3；小腿支撑杆3设置于远离大腿一侧，且小腿支撑杆3靠近大腿一侧安装有至少两个小腿绑带31；小腿绑带31与小腿支撑杆3连接处均安装有传感器贴片11；小腿支撑杆3顶端与小腿连接片25固定连接。
裸关节联动机构包括足底板4；足底板4包括前足板41和后足板42；前足板41一侧安装有前弹性组件；后足板42一侧安装有足部支撑件43和后伸缩组件；前足板41和后足板42通过转轴转动连接；足部支撑件43与后足板42固定连接，且足部支撑件43与小腿支撑杆3底端固定连接；足部支撑件43上还固定安装有固定结44；固定结44两端分别安装有前弹性组件和后伸缩组件。
前弹性组件包括两球头座46；两球头座46分别固定安装在前足板41一侧及固定结44一侧；两球头座46内安装有一伸缩杆47；伸缩杆47两端均安装有球头；后伸缩组件包括两固定座48；一固定座48固定安装在后足板42一侧，另一固定座48转动安装在固定结44另一侧；两固定座48之间安装有弹簧49。
后足板42上还安装有脚部束带45；脚部束带45上安装有传感器贴片。
在本发明的一个实施例中，仿真系统的建立，根据各个传感器贴片11的运动轨迹导入仿真环境下搭建人机外骨骼模型，并对其进行仿真分析；各个传感器贴片11按照设计关系进行配置，为了能够比较真实地模拟外骨骼仿真，外骨骼的质量密度参数与所选用的聚乳酸材料相同，转动关节设置的阻尼系数和刚度系数均参考来自实物，即旋转式滑动变阻器；以所述构型导出相应的CAD格式之后，在MATLAB/Simscape Multibody仿真环境下搭建人机外骨骼模型，并对其进行仿真分析；
遗传算法步态轨迹优化：
利用仿真得到外骨骼各转动关节的信号，从相应的模块中观察到人体与外骨骼的各个关节的角度仿真结果；在经过一组遗传算法适应度参数共同作用下，外骨骼驱动人体下肢运动得到的髋关节、膝关节、和踝关节的关节轨迹曲线与CGA的轨迹曲线基本相似，只存在小角度偏差以及不顺滑现象。
优选地，在上述步骤中，将外骨骼构型导入仿真环境下搭建人机外骨骼模型，并对其进行仿真分析，采用遗传算法步态轨迹优化，作以下假设：
左右腿的步态轨迹分别视作单腿的步态轨迹在滞后/超前半个步态周期的共同作用，即左右腿所使用的步态轨迹是相同的，一条腿滞后/超前另一条腿半个步态周期；
B-2.用i+1个关键点，将第K个步态周期划分成i小段，其中最后一个关键点表示第K个步态周期的结束时刻，同时也表示第K+1个步态周期的起始时刻；
借助三次样条曲线的连续性，稳定性，顺滑性，对步态轨迹插值点进行多项式拟合，建立时间连续的轨迹，用三阶函数描述为以下公式：
θ(t)＝a0+a1×t+a2×t2+a3×t3,(t∈(Si,Si+1))(1)
其中，t表示两个相邻步态轨迹插值点之间的任一时刻；a0、a1、a2、a3分别为三阶函数的系数，Si、Si+1分别表示第i个和第i+1个插值点的关节角度；插值点与前述步态假设中的划分关键点保持一致；
在遗传算法迭代过程中，用于评估每一个人机耦合系统步态轨迹效果的适应度评估方程如公式如下：
F＝FitnessFunction(D,T,ωavg,fp,Agg)(2)
其中，经历时间T表示在每一次耦合系统仿真模拟的终止时间；根据仿真过程中，检测到的一些故障或致命错误时提前终止仿真过程以节省仿真时间，并帮助防止优化中出现局部最优值；行走距离D表示在人机耦合仿真结束时刻；足底接触力fp是实现人机耦合系统与地面之间相互作用的关键因素，每只脚选取四个角落作为脚掌和地面可能发生接触的预设点，用和分别表示左右脚的四个点接触压力，因此可以表示为
Figure BDA0003730996830000101
躯干角速度Wavg如果幅度较大，则表明步行运动过程中的躯干晃动剧烈，在优化过程中，希望躯干的平均角速度趋向于缓和，躯干角速度按照正交分解可以视为由沿着前进方向的沿着身体侧向的以及沿着身体纵向的共同组成，其量化表达式如下所示：
Figure BDA0003730996830000102
关节振荡度Agg，用来描述步态轨迹周期中的震荡次数。
进一步的，本实施例方法结合虚拟仿真技术搭建了由人体生理结构和外骨骼机械结构耦合构成的仿真模型，结合遗传基因算法进行优化步态轨迹规划，在一组特殊设计的适应度函数的优化下，为人机耦合模型设计了更接近自然的运动步态，为进一步动力外骨骼研究工作提供了更深入的了解。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种下肢仿生机械外骨骼，其特征在于，包括：结构相同的左腿外骨骼和右腿外骨骼；所述左腿外骨骼包括大腿支撑机构，膝关节联动机构，小腿支撑机构和裸关节联动机构；所述大腿支撑机构和所述小腿支撑机构通过膝关节联动机构相连接；所述裸关节联动机构与所述小腿支撑机构相连接；所述大腿支撑机构，小腿支撑机构和裸关节联动机构上均安装有传感器贴片(11)；若干个所述传感器贴片(11)均与人体皮肤贴合，且通过若干个所述传感器贴片(11)构建有仿真系统。
2.根据权利要求1所述的一种下肢仿生机械外骨骼，其特征在于：所述大腿支撑机构包括大腿绑带(1)和大腿固定架(12)；所述大腿绑带(1)内侧安装有所述传感器贴片(11)；所述大腿绑带(1)与所述大腿固定架(12)顶端连接处位于所述大腿后侧中心；所述大腿固定架(12)为“u”形结构；所述大腿固定架(12)绕大腿两侧与所述膝关节联动机构传动连接。
3.根据权利要求2所述的一种下肢仿生机械外骨骼，其特征在于：所述膝关节联动机构包括关节板(2)；所述关节板(2)顶部螺纹安装有大腿连接片(13)；所述大腿连接片(13)与所述大腿固定架(12)通过转动杆转动连接；所述关节板(2)上安装有控制盒(21)和第一联动件；所述第一联动件通过连接件(23)与力偏置片(22)的一端传动连接，且所述第一联动件通过定位轴(26)安装于所述关节板(2)的一侧；
所述关节板(2)另一侧固定安装有所述控制盒(21)；所述关节板(2)另一侧底面还通过缓冲件(24)贯穿所述力偏置片(22)另一端，且所述缓冲件(24)还安装在所述小腿连接片(25)上；所述小腿连接片(25)与所述小腿支撑机构固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种下肢仿生机械外骨骼，其特征在于：所述关节板(2)上开设有安装孔，所述安装孔内置有轴承(27)；所述连接件(23)的一端通过所述定位轴(26)与所述轴承(27)固定连接；所述连接件(23)的另一端与所述力偏置片(22)一端转动连接；所述轴承(27)为球面轴承。
5.根据权利要求4所述的一种下肢仿生机械外骨骼，其特征在于：所述第一联动件包括前端盖(28)和后端盖(29)；所述前端盖(28)和后端盖(29)分设于所述安装孔两侧；所述前端盖(28)与所述连接件(23)一体成型；所述前端盖(28)上限位安装有所述定位轴(26)的一端；所述后端盖(29)插设与所述安装孔内，且与所述定位轴(26)另一端抵接。
6.根据权利要求3所述的一种下肢仿生机械外骨骼，其特征在于：所述控制盒(21)内安装有内置电源，位置传感器和速度传感器；所述内置电源与所述位置传感器和速度传感器电性连接。
7.根据权利要求3所述的一种下肢仿生机械外骨骼，其特征在于：所述小腿支撑机构包括小腿支撑杆(3)；所述小腿支撑杆(3)设置于远离所述大腿一侧，且所述小腿支撑杆(3)靠近所述大腿一侧安装有至少两个小腿绑带(31)；所述小腿绑带(31)与所述小腿支撑杆(3)连接处均安装有所述传感器贴片(11)；所述小腿支撑杆(3)顶端与所述小腿连接片(25)固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种下肢仿生机械外骨骼，其特征在于：所述裸关节联动机构包括足底板(4)；所述足底板(4)包括前足板(41)和后足板(42)；所述前足板(41)一侧安装有前弹性组件；所述后足板(42)一侧安装有足部支撑件(43)和后伸缩组件；所述前足板(41)和后足板(42)通过转轴转动连接；所述足部支撑件(43)与所述后足板(42)固定连接，且所述足部支撑件(43)与所述小腿支撑杆(3)底端固定连接；所述足部支撑件(43)上还固定安装有固定结(44)；所述固定结(44)两端分别安装有所述前弹性组件和后伸缩组件。
9.根据权利要求8所述的一种下肢仿生机械外骨骼，其特征在于：所述前弹性组件包括两球头座(46)；两所述球头座(46)分别固定安装在所述前足板(41)一侧及固定结(44)一侧；两所述球头座(46)内安装有一伸缩杆(47)；所述伸缩杆(47)两端均安装有球头；所述后伸缩组件包括两固定座(48)；一所述固定座(48)固定安装在所述后足板(42)一侧，另一所述固定座(48)转动安装在所述固定结(44)另一侧；两所述固定座(48)之间安装有弹簧(49)。
10.根据权利要求8所述的一种下肢仿生机械外骨骼，其特征在于：所述后足板(42)上还安装有脚部束带(45)；所述脚部束带(45)上安装有所述传感器贴片(11)。
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