CN115350048A

CN115350048A - 一种主动式单侧股骨外骨骼及控制方法

Info

Publication number: CN115350048A
Application number: CN202210853058.5A
Authority: CN
Inventors: 刘学文; 陈静
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-07-20
Filing date: 2022-07-20
Publication date: 2022-11-18

Abstract

本发明公开了一种主动式单侧股骨外骨骼及控制方法，所述外骨骼包括围合在穿戴者腰部的环腰支架、设置在环腰支架单侧外侧的作动器支架；所述作动器支架上固定有作动器，作动器通过舵盘与摆臂上端连接，摆臂下端连接环腿结构，所述环腰支架上设置有控制盒，所述控制盒内置GPS传感器和身体姿态传感器，所述控制盒通过软质电缆连接一个手持控制器，控制盒下方连接有运动传感器单元，所述GPS传感器、身体姿态传感器、运动传感器和作动器均与手持控制器电连接。本发明采用非仿生的、适合大力矩下应用的股骨外骨骼结构，使得股骨外骨骼的能够工作于主动动作模式，实现了外骨骼带动有运动障碍的腿与运动功能正常的腿进行协调顺序动作。

Description

一种主动式单侧股骨外骨骼及控制方法

技术领域

本申请涉及髋关节外骨骼助力技术领域，更具体地说，涉及一种面向单侧股骨的非仿生结构动力外骨骼。

背景技术

外骨骼是电子、机械、仿生、自动控制等多学科交叉融合的可穿戴机电系统，也可以叫做可穿戴外骨骼、外骨骼机器人。外骨骼分为上肢外骨骼和下肢外骨骼。下肢外骨骼通过外骨骼将身上的负载传递到地面，具有系统复杂、柔顺控制困难、造价昂贵等实用化面临的缺点。髋关节外骨骼是简化的下肢外骨骼，位于左右髋关节外侧处的作动器产生力矩对穿戴者大腿的抬和落两个动作进行助力。

为了使髋关节外骨骼固定在穿戴者身上，现有的髋关节外骨骼设计均采用腰部固定方式，即设计一个具有一定刚度的腰带状环腰结构，这是一种行业通用的结构形式。其他如作动器、电池盒、控制器等部件均与该环腰结构固连。为了适应穿戴者的身材，该环腰结构的在长度方向上均具备可伸缩功能。大部分设计会在穿戴者的后背位置沿脊柱向上的方向上设计一个具有一定高度的板状或框架结构与环腰结构刚性连接，以提供作动器所需的反向力矩作用点，在本专利中称为背板。

外骨骼均采用硬质长杆状物在（本专利中称为摆臂）与作动器连接进行动力输出。

现有的髋关节外骨骼在大腿的下端（站立时的近地端）均设计了一个环腿结构，该环腿结构与动力输出杆的下端连接。由于在助力行走时只要能够助力抬腿即可，因此现有髋关节外骨骼的环腿结构都是一部分弧形是刚性的，而另一部分是绑带。

现有的髋关节外骨骼均采用仿生设计，（即驱动轴与髋关节在轴向重合或接近于重合），若要其工作于主动模式，即穿戴者不做抬腿动作，而是完全由外骨骼带动腿部，这需要非常大的力矩才能抬起腿部，上述仿生结构在大力矩应用中存在结构不合理的问题。

现有髋关节外骨骼都均采用双侧髋关节结构，都是面向行走辅助功能、动作模式是从动模式，即跟随穿戴者的腿部动作进行同步动作。但是当面向行动不便的穿戴者（如脑卒中患者、股骨头病患者）时，这种工作于从动模式的外骨骼便会由于检测不到穿戴者的运动意图而失去辅助作用；但如果这种双侧髋关节外骨骼的动作模式采用主动模式，则很大概率会出现外骨骼动作与行动不便的穿戴者动作不一致的情况，从而导致行走障碍甚至有摔倒的风险。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，面向单侧腿有运动障碍的穿戴者，本专利提供一种工作于主动模式的非仿生结构单侧股骨外骨骼及其控制方法。通过选定工作模式，在检测到穿戴者运动功能正常的腿完成运动动作后，适时地带动有运动障碍的腿与之进行双腿协调行走。

本发明的目的是以下述方式实现的：

一种主动式单侧股骨外骨骼，所述外骨骼包括围合在穿戴者腰部的环腰支架1、设置在环腰支架1单侧外侧的作动器支架2；所述作动器支架2上固定有作动器3，作动器3通过舵盘与摆臂4上端连接，摆臂4下端连接环腿结构5，所述环腰支架1上设置有控制盒10，所述控制盒10内置GPS传感器和身体姿态传感器，所述控制盒10通过软质电缆连接一个手持控制器12，控制盒下方连接有运动传感器单元，所述GPS传感器、身体姿态传感器、运动传感器和作动器均与手持控制器电连接。

所述环腰支架1包括第一弧形结构14、第二弧形结构19和背板16，所述第一弧形结构14和第二弧形结构19的前端分别连接有绑带，所述绑带包括左绑带和右绑带，所述左绑带连接在第二弧形结构19上，所述右绑带连接在第一弧形结构14上，所述左绑带上设置有左绑带插扣，右绑带上设有右绑带插扣，左绑带插扣与右绑带插扣对应插合；所述第一弧形结构14和第二弧形结构19的后端与背板16的调节孔通过螺栓固定连接。

所述环腿结构5包括落腿支撑具6和抬腿支撑具7，所述落腿支撑具6和抬腿支撑具7通过软质非弹性连接器8连接。

所述作动器3由大扭矩舵机和与之输出轴相连的减速机组成。

所述第二弧形结构19为一体式硬质弧形结构、第一弧形结构14为铰链连接的双片式硬质弧形结构，所述第一弧形结构14和第二弧形结构19的弧形与穿戴者腰型契合，所述绑带包括固定绑带18和斜拉绑带17，所述固定绑带18和斜拉绑带17均包括左绑带和右绑带，所述固定绑带的左绑带和右绑带分别连接在第二弧形结构19、第一弧形结构14的中间位置；所述斜拉绑带的左绑带和右绑带分别连接在第二弧形结构19、第一弧形结构14的斜对角位置处，所述左绑带上设置有左绑带插扣，右绑带上设有右绑带插扣，左绑带插扣与右绑带插扣对应插合连接。

所述运动传感器为加速度传感器；身体姿态传感器为陀螺仪。

一种主动式单侧股骨外骨骼的控制方法，所述控制方法包括：

S1：系统预置动作模式，所述动作模式包括坐下模式、站起模式、水平行走模式、上台阶模式和下台阶模式;

S2：穿戴者通过手持控制器选择系统预置的动作模式之一；

S3：运动识别子模块根据身体姿态传感器和运动传感器获取根据角度变化和角速度变化识别穿戴者运动功能正常的腿的运动状态；

S3：姿态安全识别模块根据身体姿态传感器和运动传感器获取的身体倾角及角速度参数计算身体是否在正常的可自主调节的范围内，若在，则按照选择的动作模式驱动作动器带动有运动功能障碍的腿进行动作，实现双腿协调的或连续的运动。

所述S1中，所述坐下模式是在穿戴者坐下的过程中，通过实时检测穿戴者运动功能正常的腿的角度，并持续错后一定相位改变摆臂角度，使两侧股骨具有同步的角度差，直至到达坐姿状态；所述站起模式是在穿戴者站起的过程中，通过实时检测穿戴者运动功能正常的腿的角度，并持续超前一定相位改变摆臂角度，使两侧股骨具有同步的角度差，直至到达站立状态；所述水平行走模式是运动识别子模块根据穿戴者运动功能正常的腿的角度变化和角速度变化识别穿戴者的运动意图，在姿态安全识别模块输出的许可命令后，驱动作动器带动有运动功能障碍的腿进行后续的随动动作，从而实现双腿协调的或连续的运动；所述上台阶模式是在穿戴者上台阶的过程中，首先，股骨外骨骼摆臂驱动有运动功能障碍的腿进行抬高动作迈至高台阶处，随后在穿戴者运动功能正常的腿抬起的过程中，股骨外骨骼摆臂以一定的速度向下转动角度并保持力矩直至竖直向下；所述下台阶模式是在穿戴者运动功能正常的腿向下迈台阶的过程中，股骨外骨骼摆臂以一定的速度向上转动角度并保持力矩直至穿戴者运动功能正常的腿落到低台阶上，在继续向上转动适当角度后，摆臂释放力矩随着腿部无动力摆动。

所述S3中，身体是否在正常的可自主调节的范围内的判断条件是：1总加速度g没有异常；2竖直向下的加速度分量无失重；3身体倾角小于某固定值k。

本发明面向单侧腿存在运动障碍的人员设计，具有如下的有益效果：

1、采用非仿生的、适合大力矩下应用的股骨外骨骼结构，使得股骨外骨骼的能够工作于主动动作模式，实现了外骨骼带动有运动障碍的腿与运动功能正常的腿进行协调顺序动作。

2、能够完成辅助站起和辅助坐下功能，使得穿戴者可以以坐姿完成本发明装置的穿戴，然后在穿戴者站起的过程中，实时检测运动功能正常的腿的角度，股骨外骨骼驱动有运动功能障碍的腿使两侧股骨具有相同的角度，直至到达站立状态；在穿戴者坐下的过程中，实时检测运动功能正常的腿的角度，股骨外骨骼驱动有运动功能障碍的腿使两侧股骨具有相同的角度，直至到达坐姿状态。

3、本发明的姿态安全识别模块能够保证在姿态正常的条件下工作，保障了穿戴者的安全。

4、本发明基于单手操作设计，更符合人体工学、穿戴方便、操作简单。

附图说明

图1为本发明的单侧股骨动力外骨骼装置结构示意图；

图2为根据一些示例性实施例示出的本单侧股骨动力外骨骼装置结构图；

图3为本发明控制方法中的“站起”功能工作流程图；

图4为本发明控制方法中的“坐下”功能工作流程图；

图5为本发明控制方法中的“水平行走”功能工作流程图；

图6为本发明控制方法中的“上台阶”功能工作流程图；

图7为本发明控制方法中的“下台阶”功能工作流程图；

其中：1、环腰支架；2、作动器支架；3、作动器；4、摆臂；5、环腿结构；6、落腿支撑具；7、抬腿支撑具；8、软质非弹性连接器；9、电源模块；10、控制盒；11、软质弹性连接电线；12、手持控制器；13、铰链；14、第一弧形结构；15、环腰支架长度伸缩调节器；16、背板；17、斜拉绑带；18、固定绑带；19、第二弧形结构；20、运动传感器。

具体实施方式

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。

应该指出，以下详细说明都是例式性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的技术含义相同。

需要说明的是，本文中所表述的人体方位术语说明如下：上——接近头部称为上；下——接近足底称为下；前——接近腹侧的称为前；后——接近背侧的称为后；内侧——接近身体正中线的称为内侧；外侧——远离身体正中线的称为外侧；近侧——接近肢体根部的称为近侧；远侧——远离肢体根部的称为远侧。

一种主动式单侧股骨外骨骼，所述外骨骼包括围合在穿戴者腰部的环腰支架1、设置在环腰支架1单侧外侧的作动器支架2；所述作动器支架2上固定有作动器3，作动器3通过舵盘与摆臂4上端连接，摆臂4下端连接环腿结构5，所述环腰支架1上设置有控制盒10，所述控制盒10内置GPS传感器和身体姿态传感器，所述控制盒10通过软质电缆连接一个手持控制器12，手持控制器12通过磁吸扣吸附在弧形结构14的前端外侧；控制盒下方连接有运动传感器单元，所述运动传感器固定在穿戴者运动功能正常的腿表面，所述GPS传感器、身体姿态传感器、运动传感器和作动器均与手持控制器电连接。

所述环腰支架1是一个闭合的环状结构，使用时固定在穿戴者腰部。该支架包括第一弧形结构14、第二弧形结构19和背板16，所述第一弧形结构14和第二弧形结构19的前端分别连接有绑带，所述绑带包括绑斜拉绑带17和固定绑带18，所述固定绑带18和斜拉绑带17均包括左绑带和右绑带，所述固定绑带的左绑带和右绑带分别连接在第二弧形结构19、第一弧形结构14的中间位置；所述斜拉绑带的左绑带和右绑带分别连接在第二弧形结构19、第一弧形结构14的斜对角位置处，所述左绑带上设置有左绑带插扣，右绑带上设有右绑带插扣，左绑带插扣与右绑带插扣对应插合连接。绑带的长度可以通过插扣进行调节；所述第一弧形结构14和第二弧形结构19的后端与背板16的调节孔通过螺栓固定连接。所述第一弧形结构14和第二弧形结构19的形状与穿戴者腰型贴合。背板16的调节孔可以保证环腰支架1的周长可以进行小幅度伸缩以适应穿戴者腰围。

当然，环腰支架1是穿戴式设备通用的、必要的配件，在一些实施例中，环腰支架具有多种形式，如链式弧形结构或软带式围腰等也可以实现本专利中环腰支架的功能。但是本专利提出的一体化硬质弧形结构比现有的链式弧形结构或软带式围腰更能保证力矩的传递。

环腰支架1在作动器3一侧的第二弧形结构19与背板16的环腰支架长度伸缩调节器15连接；第一弧形结构14是由铰链13连接的双片弧形结构组合而成，与背板16的长度伸缩调节器15连接。

背板16与穿戴者后背接触的面上连接有电源模块9。

作动器支架2的后端与环腰支架1的第二弧形结构19连接，前端由身体侧面穿戴者左侧腰部或右侧腰部向正前方伸出。作动器支架2的前端与作动器3连接。

作动器3通过舵盘与摆臂4的上端连接，摆臂4的下端连接落腿支撑具6，落腿支撑具6位于大腿前侧和抬腿支撑具7位于大腿后侧通过软质非弹性连接器8连接组成环腿结构5，该环腿结构位于股骨的下端。

一些实施例中，如图2所示，作动器支架2以仿生结构向下伸出使得作动器的输出轴位置与髋关节位置接近重合，与作动器3连接的摆臂4位于大腿外侧。

优选的，软质非弹性连接器8的材质是魔术贴。

S1：系统预置动作模式，所述动作模式包括坐下模式由站姿到坐姿、站起模式由坐姿到站姿、水平行走模式、上台阶模式和下台阶模式;

S2：穿戴者通过手持控制器选择系统预置的动作模式之一；

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种主动式单侧股骨外骨骼，其特征在于：所述外骨骼包括围合在穿戴者腰部的环腰支架（1）、设置在环腰支架（1）单侧外侧的作动器支架（2）；所述作动器支架（2）上固定有作动器（3），作动器（3）通过舵盘与摆臂（4）上端连接，摆臂（4）下端连接环腿结构（5），所述环腰支架（1）上设置有控制盒（10），所述控制盒（10）内置GPS传感器和身体姿态传感器，所述控制盒（10）通过软质电缆连接一个手持控制器（12），控制盒下方连接有运动传感器单元，所述GPS传感器、身体姿态传感器、运动传感器和作动器均与手持控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的主动式单侧股骨外骨骼，其特征在于：所述环腰支架（1）包括第一弧形结构（14）、第二弧形结构（19）和背板（16），所述第一弧形结构（14）和第二弧形结构（19）的前端分别连接有绑带，所述绑带包括左绑带和右绑带，所述左绑带连接在第二弧形结构（19）上，所述右绑带连接在第一弧形结构（14）上，所述左绑带上设置有左绑带插扣，右绑带上设有右绑带插扣，左绑带插扣与右绑带插扣对应插合；所述第一弧形结构（14）和第二弧形结构（19）的后端与背板（16）的调节孔通过螺栓固定连接。

3.根据权利要求1所述的主动式单侧股骨外骨骼，其特征在于：所述环腿结构（5）包括落腿支撑具（6）和抬腿支撑具（7），所述落腿支撑具（6）和抬腿支撑具（7）通过软质非弹性连接器（8）连接。

4.根据权利要求1所述的主动式单侧股骨外骨骼，其特征在于：所述作动器（3）由大扭矩舵机和与之输出轴相连的减速机组成。

5.根据权利要求2所述的主动式单侧股骨外骨骼，其特征在于：所述第二弧形结构（19）为一体式硬质弧形结构、第一弧形结构（14）为铰链连接的双片式硬质弧形结构，所述第一弧形结构（14）和第二弧形结构（19）的弧形与穿戴者腰型契合，所述绑带包括固定绑带（18）和斜拉绑带（17），所述固定绑带（18）和斜拉绑带（17）均包括左绑带和右绑带，所述固定绑带的左绑带和右绑带分别连接在第二弧形结构（19）、第一弧形结构（14）的中间位置；所述斜拉绑带的左绑带和右绑带分别连接在第二弧形结构（19）、第一弧形结构（14）的斜对角位置处，所述左绑带上设置有左绑带插扣，右绑带上设有右绑带插扣，左绑带插扣与右绑带插扣对应插合连接。

6.根据权利要求1所述的主动式单侧股骨外骨骼，其特征在于：所述运动传感器为加速度传感器；身体姿态传感器为陀螺仪。

7.根据权利要求1-6任一项所述的主动式单侧股骨外骨骼的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括：

S1：系统预置动作模式，所述动作模式包括坐下模式、站起模式、水平行走模式、上台阶模式和下台阶模式；

S2：穿戴者通过手持控制器选择系统预置的动作模式之一；

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述S1中，所述坐下模式是在穿戴者坐下的过程中，通过实时检测穿戴者运动功能正常的腿的角度，并持续错后一定相位改变摆臂角度，使两侧股骨具有同步的角度差，直至到达坐姿状态；所述站起模式是在穿戴者站起的过程中，通过实时检测穿戴者运动功能正常的腿的角度，并持续超前一定相位改变摆臂角度，使两侧股骨具有同步的角度差，直至到达站立状态；所述水平行走模式是运动识别子模块根据穿戴者运动功能正常的腿的角度变化和角速度变化识别穿戴者的运动意图，在姿态安全识别模块输出的许可命令后，驱动作动器带动有运动功能障碍的腿进行后续的随动动作，从而实现双腿协调的或连续的运动；所述上台阶模式是在穿戴者上台阶的过程中，首先，股骨外骨骼摆臂驱动有运动功能障碍的腿进行抬高动作迈至高台阶处，随后在穿戴者运动功能正常的腿抬起的过程中，股骨外骨骼摆臂以一定的速度向下转动角度并保持力矩直至竖直向下；所述下台阶模式是在穿戴者运动功能正常的腿向下迈台阶的过程中，股骨外骨骼摆臂以一定的速度向上转动角度并保持力矩直至穿戴者运动功能正常的腿落到低台阶上，在继续向上转动适当角度后，摆臂释放力矩随着腿部无动力摆动。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述S3中，身体是否在正常的可自主调节的范围内的判断条件是：1）总加速度g没有异常；2）竖直向下的加速度分量无失重；3）身体倾角小于某固定值k。