CN115416002A - 一种多功能外骨骼系统及应用方法 - Google Patents

Abstract

一种多功能外骨骼系统，包括外骨骼设备本体，还具有跌倒探测单元和数据采集单元、数据发送单元、数据接收单元、判断单元、主控单元、优化单元、动作控制单元、管理端数据收发单元、管理端指令单元；跌倒探测单元包括安装在外骨骼设备本体电控箱内且电性连接的加速度传感器、陀螺仪传感器；一种多功能外骨骼系统应用方法包括五个步骤。本发明基于外骨骼设备本体，能对病人恢复行走或手部功能，以及对提高军训人员等训练效果起到有力促进作用，并能在穿戴者存在倒地几率时，发出提示声引起穿戴者注意、减少了摔倒的几率，还能经相应机构保持穿戴者尽可能保持站立状态，对其起到了好的保护作用，为丰富外骨骼设备更多应用场景起到了有利技术支持。

Description

一种多功能外骨骼系统及应用方法

技术领域

本发明涉及外骨骼设备技术领域，特别是一种多功能外骨骼系统及应用方法。

背景技术

外骨骼是一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型和保护的坚硬外部结构。随着技术的进步，现有的外骨骼设备还能为穿戴者行走、负重等起到支持作用，在军用、民用均得到了应用。

虽然，现有的外骨骼设备具有较多的优点，但是受到结构所限，还是存在一些应用空白。现有技术中，对于身体因各种原因(比如中风或外伤)腿部丧失正常行走能力，或者手臂丧失正常功能的病人，一般都需要一段时间的康复锻炼才有几率恢复腿部或手臂的正常功能。目前，病人的康复锻炼一般是依靠锻器材或者病人逐渐自身尝试腿部行走或手部的功能恢复，锻炼器材只能对病人腿部行走或手部功能恢复时起到辅助作用，也就是不能主动对病人的相关部位起到锻炼作用，所以存在功能恢复相对慢的缺点；病人自身因身体原因，不能进行较大的功能恢复锻炼强度，因此更会给功能恢复效果造成不利影响。还有就是，现有对于军队或者学生军训时，士兵或者学员在进行各种军训动作锻炼时(比如匍匐锻炼)，全靠自己对锻炼的要领领会力、进而进行相应的锻炼动作，也就是说，士兵或者学员在进行相应训练动作时，得不到规范，如果自己对相关训练动作领会偏差时，增加了试错的时间及次数，会对训练效果造成不利影响。最后就是，目前的外骨骼无法探测穿戴者是否存在倒地几率等，这样，不能对穿戴者起到更好保护作用。综上，提供一种不但具有现有外骨骼的其他所有功能，还能提高病人康复锻炼效果，军训人员的军事训练效果，且还能对穿戴者起到更好保护作用的外骨骼系统及应用方法显得尤为必要。

发明内容

为了克服现有外骨骼设备，由于结构所限存在如背景所述弊端，本发明提供了不但具有普通外骨骼设备的所有功能，还能在各单元模块作用下，对病人恢复行走或手部动作功能，以及提高军训人员等训练效果起到有力促进作用，并能在穿戴者存在倒地几率时，能发出提示声引起穿戴者注意，还能经相应机构保持佩戴者尽可能保持站立状态，对其起到了好的保护作用的一种多功能外骨骼系统及应用方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多功能外骨骼系统，包括外骨骼设备本体，外骨骼设备本体各腿部、手部、头部、腰部关节均具有电动机构，外骨骼设备本体具有配套的控制子系统，其特征在于还具有跌倒探测单元和数据采集单元、数据发送单元、数据接收单元、判断单元、主控单元、优化单元、动作控制单元、管理端数据收发单元、管理端指令单元；所述外骨骼设备本体的各活动关节均安装有动作传感器；所述跌倒探测单元包括安装在外骨骼设备本体电控箱内且电性连接的加速度传感器、陀螺仪传感器；所述加速度传感器、陀螺仪传感器、多套动作传感器的信号输出端和控制子系统的多路信号输入端分别电性连接；所述数据采集单元、数据发送单元、数据接收单元、判断单元、主控单元、优化单元、动作控制单元是安装在控制子系统内的应用软件单元，管理端数据收发单元、管理端指令单元是安装在管理端人员互联网设备内的应用软件；一种多功能外骨骼系统应用方法如下，步骤A：多套动作传感器、加速度传感器及陀螺仪传感器分别采集穿戴者在身体康复锻炼、军训的各种姿态动作数据，上述数据分别传递给数据采集单元，数据采集单元将多种数据分类后输出到判断单元，同时上述数据经数据发送单元传递给管理端的管理端数据收发单元；步骤B：判断单元调阅其内部的阈值数据，判断穿戴者身体各关节活动数据，以及姿态是否正确，上述数据正确继续锻炼、训练，数据不正确时能报警提示穿戴者及经数据发送单元传递给管理端的管理端数据收发单元；步骤C：主控单元基于判断单元输入的数据，在其内部的控制程序作用下，输出不同的动作指令到动作控制单元，动作控制单元控制外骨骼设备本体的各活动关节电动机构的工作模式，外骨骼设备本体的各活动关节产生不同动作，主动带动病人、训练人员的腿部、腰部、手部进行不同动作，提高康复身体功能效果、提高训练效果；步骤D：管理端数据收发单元接收数据发送单元发送的穿戴者端多种数据，能根据穿戴者的具体锻炼、训练数据，更换另一套训练程序，更新后训练程序通过管理端指令单元发送；步骤E：数据接收单元接收到管理端指令单元发送的新的锻炼、训练程序数据后能将数据输出到优化单元，优化单元将动作控制单元内控制程序进行更新，穿戴者后续的锻炼、训练受到新的控制程序控制。

进一步地，所述外骨骼设备本体的脚底部安装有基于动作控制单元控制动作方式的液压抓地机构，具体应用中，保证外骨骼设备本体行走，奔跑的抓地功能。

进一步地，所述管理端针对病人康复锻炼是医疗管理人员，且应用的软件主要针对病人的身体康复锻炼使用，管理端针对军训等是教练人员等，且应用的软件主要针对军训人员的身体训练使用。

进一步地，所述跌倒探测单元的加速度传感器、陀螺仪传感器，在穿戴者进行匍匐前进需要身体触地的项目时，能经电源开关关闭该项功能。

进一步地，所述判断单元具有数据库子单元，数据库子单元存有相应穿戴者进行腿部、手臂部各关节康复训练，以及军训时各关节安装的多种动作传感器正常数据及异常数据，当相应动作传感器在相应关节经电动机构带动活动、探测到的信号电压过大及过小时，代表穿戴者人员的相应关节运动配合活动度不好，反之则代表相应关节配合活动度好。

进一步地，所述判断单元在穿戴者相应关节动作不合格时，报警提示能在现场给出具体相应关节锻炼数据不合格的类型，且能给出合理化建议，同时该数据经管理端数据收发单元接收后，管理端互联网设备的显示界面会进行具体文字显示。

进一步地，所述主控单元存有多套穿戴者锻炼、训练时，分别控制外骨骼设备本体的多个关节处电控机构的工作模式，多个控制模式的训练、锻炼强度是由低到高，主控单元输出相应指令，动作控制单元接收到指令后，相应控制外骨骼设备本体的各活动关节电动机构的工作模式。

进一步地，所述管理端数据收发单元具有分析子单元，能根据接收的穿戴者锻炼、训练时上传的各种数据判断出穿戴者的锻炼、训练效果数据，并给出合理化保持当前锻炼、训练强度，以及返回上一个相对低锻炼、训练强度，进入下一个相对大锻炼、训练强度。

进一步地，所述步骤B中，判断单元在穿戴者处于直立状态训练、锻炼时，如果穿戴者身体前后倾斜度过大，存在倒地几率时，能经动作控制控制单元控制相应关节的电控机构工作模式，使外骨骼设备本体沿倾斜反方向动作保持直立状态，防止跌倒。

本发明有益效果是：本发明基于外骨骼设备本体，不但具有普通外骨骼设备的所有功能，还能针对病人的康复锻炼，以及军事训练人员军训使用，具体的，在各单元模块作用下，能对病人恢复行走或手部功能，以及对提高军训人员等训练效果起到有力促进作用，并能在穿戴者存在倒地几率时，发出提示声引起穿戴者注意、减少了摔倒的几率，还能经相应机构保持穿戴者尽可能保持站立状态，对其起到了好的保护作用，为外骨骼设备本体增加使用场景，提高适用范围，并为提升相关人员锻炼、训练效果起到了有利技术支持。基于上述，本发明具有好的应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是本发明一种多功能外骨骼系统外形结构示意图。

图2是本发明一种多功能外骨骼系统的应用软件架构框图。

具体实施方式

图1、2中所示，一种多功能外骨骼系统，包括外骨骼设备本体1，外骨骼设备本体1各腿部2、手部3、头部4、腰部5关节均具有电动机构6，外骨骼设备本体1具有配套的控制子系统(小型计算机系统)，还具有跌倒探测单元和数据采集单元、数据发送单元、数据接收单元、判断单元、主控单元、优化单元、动作控制单元、管理端数据收发单元、管理端指令单元；外骨骼设备本体的各活动关节均安装有动作传感器7；所述跌倒探测单元包括安装在外骨骼设备本体电控箱8内的且电性连接的加速度传感器、陀螺仪传感器；加速度传感器、陀螺仪传感器、多套动作传感器7的信号输出端和控制子系统的多路信号输入端分别经导线连接；数据采集单元、数据发送单元、数据接收单元、判断单元、主控单元、优化单元、动作控制单元是安装在控制子系统内的应用软件单元，管理端数据收发单元、管理端指令单元是安装在管理端人员互联网设备(智能手机、PC机等)内的应用软件。

图1、2中所示，外骨骼设备本体的脚底部安装有基于动作控制单元控制动作方式的液压抓地机构，具体应用中，保证外骨骼设备本体行走，奔跑时的抓地功能，减少了跌倒的几率(下端是平整结构，具有两个可经液压驱动前后运动的抓地块)。管理端人员针对病人康复锻炼是医疗管理人员，且应用的软件主要针对病人的身体康复锻炼使用，管理端人员针对军训等是教练人员等，且应用的软件主要针对军训人员的身体训练使用，具体的，病人及军训人员的控制子系统内软件单元功能会有所不同，医疗管理人员(医生等)及军事教练人员的智能设备内应用软件功能会有所不同。跌倒探测单元的加速度传感器、陀螺仪传感器，在穿戴者军训人员进行匍匐前进等需要身体触地的项目时，能经电源开关关闭该项功能，防止加速度传感器、陀螺仪传感器探测到信号后，动作控制单元控制相应电动机构6误动作。

图1、2所示，一种多功能外骨骼系统应用方法如下。(1)穿戴者穿戴上外骨骼设备本体1，病人进行腿部、手部等关节康复锻炼，军训人员进行军事项目训练，多套动作传感器、加速度传感器及陀螺仪传感器能分别采集穿戴者在身体康复锻炼或者军事训练的各种姿态动作数据，上述数据分别传递给数据采集单元，数据采集单元将多种数据按照类别分类后输出到判断单元，同时上述数据经数据发送单元传递给管理端(医生、军训管理人员，病人康复锻炼数据传输给主管医生、军训人员的训练数据传输给军训管理人员)的管理端数据收发单元。(2)判断单元调阅其内部的阈值数据，判断穿戴者身体各关节活动数据，以及姿态是否正确，上述数据正确继续锻炼或训练，数据不正确时能报警提示穿戴者及经数据发送单元传递给管理端(医生、军训管理人员)的管理端数据收发单元；具体的，判断单元具有数据库子单元应用软件，数据库子单元针对病人身体功能恢复锻炼存有相应穿戴者进行腿部、手臂部等关节康复训练等时各关节安装的多种动作传感器正常数据及异常数据，同样，数据库子单元针对军训等也存有各关节安装的多种动作传感器正常数据及异常数据；当相应动作传感器在相应关节经电动机构带动活动探测到的信号电压过大或过小时，代表穿戴者人员的相应关节配合活动度不好(锻炼或者训练人员身体相应关节配合动作控制单元控制电动机构动作，关节动作迟缓、对相应关节进行动作的驱动力不足，造成电动机构输出动力阻力过大，相应动作传感器输出信号电压变得相对高时，动作控制单元在此动作条件下需要锻炼或者训练人员此时的关节动作信号电压是相对低时，那么判断单元判断此时穿戴者人员的相应关节配合活动度不好；锻炼或者训练人员身体相应关节配合动作控制单元控制电动机构动作，关节动作过快、对相应关节进行动作的驱动力过大，造成电动机构输出动力阻力过小，相应动作传感器输出信号电压变得相对低时，动作控制单元在此动作条件下需要锻炼或者训练人员此时的关节动作信号电压是相对高时，那么判断单元判断此时穿戴者人员的相应关节配合活动度不好)，反之则代表相应关节配合活动度好；具体的，判断单元在穿戴者相应关节动作不合格时，报警提示能在现场给出具体相应关节锻炼或训练数据不合格的类型，且能给出合理化建议，这样，病人或者军训人员能根据建议提高相应关节的活动力度或减少活动力度，达到更好的锻炼或者训练效果，同时该数据经管理端数据收发单元接收后，管理端互联网设备的显示界面会进行具体文字显示，管理端的医生或者军训管理人员能实时了解病人的康复训练效果、军训人员的训练效果；判断单元在穿戴者处于直立状态训练、锻炼时，如果穿戴者身体前后倾斜度过大，存在倒地几率时，能经动作控制控制单元控制相应关节的电控机构工作模式，使外骨骼设备本体沿倾斜反方向动作保持直立状态，尽可能防止了穿戴者跌倒在地、造成意外伤害。

图1、2所示，一种多功能外骨骼系统应用方法。(3)主控单元基于判断单元输入的数据，在其内部的控制程序作用下，输出不同的动作指令到动作控制单元，动作控制单元控制外骨骼设备本体的各活动关节电动机构的工作模式，外骨骼设备本体的各活动关节产生不同动作，病人穿戴的外骨骼设备本体主动带动病人腿部、腰部、手部等进行不同动作，达到提高康复身体功能的效果(相应的为康复人员进行合格的康复动作起到动作引导作用)；训练人员穿戴的外骨骼设备本体主动带动训练人员腿部、腰部、手部等进行不同动作，达到提高军训的效果(相应的为军训人员进行合格的军训动作起到动作引导作用)。(4)管理端数据收发单元接收数据发送单元发送的穿戴者端多种数据，能根据穿戴者的具体康复训练数据或者军训数据，更换另一套训练程序，更新后训练程序通过管理端指令单元发送到穿戴者的数据接收单元；具体的，主控单元存有多套穿戴者康复锻炼或者军事训练时、分别控制外骨骼设备本体的多个关节处电控机构的工作模式，多个控制模式的锻炼或训练的强度是由低到高，主控单元输出相应指令，动作控制单元接收到指令后，相应控制外骨骼设备本体的各活动关节电动机构的工作模式，训练强度大时各关节的电动机构控制关节的运动强度相对大，反之相对小；具体的，管理端数据收发单元具有分析子单元，能根据接收的穿戴者锻炼及训练时上传的各种数据判断出穿戴者的锻炼、训练效果数据，并给出合理化保持当前锻炼、训练强度，以及返回上一个相对低锻炼、训练强度，或进入下一个相对大锻炼、训练强度。(5)数据接收单元接收到管理端指令单元发送的新的训练数据后将数据输出到优化单元，优化单元将动作控制单元内控制程序进行更新，穿戴者后续的训练受到新的控制程序控制。

图1、2所示，本发明基于外骨骼设备本体，不但具有普通外骨骼设备的所有功能，还能针对病人的康复锻炼，以及军事训练人员军训使用(不限于上述两种应用场景，任何采用外骨骼设备本体进行身体协调动作训练的技术点，都纳入本发明保护范围之内)。本发明经各单元应用作用下，在针对病人对腿部行走、手臂功能恢复中，能通过控制病人的腿部关节运动模式实现循序渐进行走锻炼，通过控制病人的循序渐进的手部关节动作锻炼，能逐渐恢复病人的腿部及手部的功能，对病人的合理锻炼起到了好的引导作用，相较于现有技术中，病人主动且不规范锻炼相对锻炼效果更好，能在相对短的时间内尽可能恢复病人的身体功能。针对军训人员等进行军训时，能对其进行匍匐前进等动作进行引导规范，实现循序渐进的训练效果，相较于现有技术中，军训人员主动且不规范锻炼相对训练效果更佳，能在较短时间内使其掌握军事知识要点。本发明为外骨骼设备本体增加使用场景，提高适用范围，并为提升相关人员锻炼、训练效果起到了有利技术支持。

以上显示和描述了本发明的主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种多功能外骨骼系统，包括外骨骼设备本体，外骨骼设备本体各腿部、手部、头部、腰部关节均具有电动机构，外骨骼设备本体具有配套的控制子系统，其特征在于，还具有跌倒探测单元和数据采集单元、数据发送单元、数据接收单元、判断单元、主控单元、优化单元、动作控制单元、管理端数据收发单元、管理端指令单元；所述外骨骼设备本体的各活动关节均安装有动作传感器；所述跌倒探测单元包括安装在外骨骼设备本体电控箱内且电性连接的加速度传感器、陀螺仪传感器；所述加速度传感器、陀螺仪传感器、多套动作传感器的信号输出端和控制子系统的多路信号输入端分别电性连接；所述数据采集单元、数据发送单元、数据接收单元、判断单元、主控单元、优化单元、动作控制单元是安装在控制子系统内的应用软件单元，管理端数据收发单元、管理端指令单元是安装在管理端人员互联网设备内的应用软件；一种多功能外骨骼系统应用方法如下，步骤A：多套动作传感器、加速度传感器及陀螺仪传感器分别采集穿戴者在身体康复锻炼、军训的各种姿态动作数据，上述数据分别传递给数据采集单元，数据采集单元将多种数据分类后输出到判断单元，同时上述数据经数据发送单元传递给管理端的管理端数据收发单元；步骤B：判断单元调阅其内部的阈值数据，判断穿戴者身体各关节活动数据，以及姿态是否正确，上述数据正确继续锻炼、训练，数据不正确时能报警提示穿戴者及经数据发送单元传递给管理端的管理端数据收发单元；步骤C：主控单元基于判断单元输入的数据，在其内部的控制程序作用下，输出不同的动作指令到动作控制单元，动作控制单元控制外骨骼设备本体的各活动关节电动机构的工作模式，外骨骼设备本体的各活动关节产生不同动作，主动带动病人、训练人员的腿部、腰部、手部进行不同动作，提高康复身体功能效果、提高训练效果；步骤D：管理端数据收发单元接收数据发送单元发送的穿戴者端多种数据，能根据穿戴者的具体锻炼、训练数据，更换另一套训练程序，更新后训练程序通过管理端指令单元发送；步骤E：数据接收单元接收到管理端指令单元发送的新的锻炼、训练程序数据后能将数据输出到优化单元，优化单元将动作控制单元内控制程序进行更新，穿戴者后续的锻炼、训练受到新的控制程序控制。

2.根据权利要求1所述的一种多功能外骨骼系统，其特征在于，外骨骼设备本体的脚底部安装有基于动作控制单元控制动作方式的液压抓地机构，具体应用中，保证外骨骼设备本体行走，奔跑的抓地功能。

3.根据权利要求1所述的一种多功能外骨骼系统，其特征在于，管理端针对病人康复锻炼是医疗管理人员，且应用的软件主要针对病人的身体康复锻炼使用，管理端针对军训等是教练人员等，且应用的软件主要针对军训人员的身体训练使用。

4.根据权利要求1所述的一种多功能外骨骼系统，其特征在于，判断单元具有数据库子单元，数据库子单元存有相应穿戴者进行腿部、手臂部各关节康复训练，以及军训时各关节安装的多种动作传感器正常数据及异常数据，当相应动作传感器在相应关节经电动机构带动活动、探测到的信号电压过大及过小时，代表穿戴者人员的相应关节运动配合活动度不好，反之则代表相应关节配合活动度好。

5.根据权利要求1所述的一种多功能外骨骼系统，其特征在于，判断单元在穿戴者相应关节动作不合格时，报警提示能在现场给出具体相应关节锻炼数据不合格的类型，且能给出合理化建议，同时该数据经管理端数据收发单元接收后，管理端互联网设备的显示界面会进行具体文字显示。

6.根据权利要求1所述的一种多功能外骨骼系统，其特征在于，主控单元存有多套穿戴者锻炼、训练时，分别控制外骨骼设备本体的多个关节处电控机构的工作模式，多个控制模式的训练、锻炼强度是由低到高，主控单元输出相应指令，动作控制单元接收到指令后，相应控制外骨骼设备本体的各活动关节电动机构的工作模式。

7.根据权利要求1所述的一种多功能外骨骼系统，其特征在于，管理端数据收发单元具有分析子单元，能根据接收的穿戴者锻炼、训练时上传的各种数据判断出穿戴者的锻炼、训练效果数据，并给出合理化保持当前锻炼、训练强度，以及返回上一个相对低锻炼、训练强度，进入下一个相对大锻炼、训练强度。

8.根据权利要求1所述的一种多功能外骨骼系统的应用方法，其特征在于，步骤B中，判断单元在穿戴者处于直立状态训练、锻炼时，如果穿戴者身体前后倾斜度过大，存在倒地几率时，能经动作控制控制单元控制相应关节的电控机构工作模式，使外骨骼设备本体沿倾斜反方向动作保持直立状态，防止跌倒。

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