CN117679286A - 一种防崴脚踝关节助力外骨骼系统及防崴脚方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种防崴脚踝关节助力外骨骼系统及防崴脚方法。所述防崴脚踝关节助力外骨骼系统包括：绳驱动组件，其包括驱动组件及驱动绳组件，驱动组件具有一个驱动端，驱动绳组件的一端与驱动端连接；辅助鞋组件，其上设置有个连接点，每个连接点均与驱动绳组件连接；防崴脚组件，其一端与驱动绳组件连接，另一端与辅助鞋组件连接；角速度检测装置，其安装在辅助鞋组件上，角速度检测装置用于检测人体踝关节冠状面角速度。本申请设计一种不限制踝关节各个自由度运动同时又可在失去稳定时防止崴脚的防崴脚踝关节助力外骨骼系统，从而在人体踝关节冠状面角速度超过预设速度时提供阻碍穿戴者的脚在踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力。

Description

一种防崴脚踝关节助力外骨骼系统及防崴脚方法

技术领域

本申请涉及外骨骼助力技术领域，特别是涉及一种防崴脚踝关节助力外骨骼系统及防崴脚方法。

背景技术

按照便携性和结构形式(冠状面自由度)不同，目前的踝关节康复外骨骼可分为基于平台的不可携带多自由度、可携带禁止踝关节内外翻和可携带踝关节被动内外翻三种形式。平台式踝关节康复外骨骼可为踝关节提供跖屈/背屈、内/外翻、内/外旋三个自由度的主动康复训练，但由于其不可携带性，限制了其在踝关节康复领域的应用。对于可携带踝关节外骨骼，主要是对跖屈/背屈，也就是矢状面内的运动进行康复和助力。对于冠状面运动，踝关节不稳定的用户可以采用禁止内外翻的结构形式，但是该种结构限制了踝关节的自由度，易使用户产生不舒适感和应力集中；踝关节稳定性满足要求的用户，可在内/外翻方向设定一个被动自由度，但由于被动自由度的存在，当出现崴脚趋势时，外骨骼不能对踝关节进行保护。市面上目前还没有一款面向足下垂患者的踝关节康复外骨骼机器人可以保持踝关节高速翻转时的稳定性以防止崴脚的功能。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

申请内容

本申请的目的在于提供一种防崴脚踝关节助力外骨骼系统来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

为实现上述目的，本申请提供了一种防崴脚踝关节助力外骨骼系统，所述防崴脚踝关节助力外骨骼系统包括：

绳驱动组件，所述绳驱动组件包括驱动组件以及驱动绳组件，所述驱动组件具有一个驱动端，所述驱动绳组件的一端与所述驱动端连接；

辅助鞋组件，所述辅助鞋组件上设置有至少两个连接点，每个连接点均与所述驱动绳组件连接；

防崴脚组件，所述防崴脚组件的一端与所述驱动绳组件连接，另一端与所述辅助鞋组件连接；

角速度检测装置，所述角速度检测装置安装在所述辅助鞋组件上，所述角速度检测装置用于检测所述人体踝关节冠状面角速度；其中，

所述辅助鞋组件用于为使用者的脚提供支撑；

所述驱动组件用于驱动所述驱动绳组件运动，从而使驱动绳组件带动所述辅助鞋组件运动，以使所述辅助鞋组件为使用者的脚提供助力；

所述防崴脚组件用于在所述角速度检测装置检测到人体踝关节冠状面角速度超过预设速度时提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力。

可选地，防崴脚踝关节助力外骨骼系统进一步包括腰部组件，所述驱动组件安装在腰部组件上；

所述腰部组件包括：

背部组件，所述背部组件用于与人体连接。

可选地，所述背部组件包括：

背板，所述驱动组件安装在所述背板上，所述驱动绳组件至少部分安装在所述背板上；

尼龙绑带，所述尼龙绑带与所述背板连接。

可选地，所述驱动组件包括：

电源组件，所述电源组件安装在所述背板上；

电机组件，所述电机组件安装在所述背板上；

绕线轮，所述绕线轮安装在所述电机组件上，当所述电机组件的输出端旋转时能够带动所述绕线轮旋转。

可选地，所述驱动绳组件包括：

鲍登线内芯，所述鲍登线内芯的一端缠绕在所述绕线轮上，所述鲍登线内芯的另一端分成驱动第一线束以及驱动第二线束，所述驱动第一线束与所述辅助鞋组件的第一位置连接，所述驱动第二线束与所述辅助鞋组件的第二位置连接，其中，所述第一位置靠近使用者的前脚掌，所述第二位置靠近所述使用者的踝关节；

第一拉力传感器，所述第一拉力传感器设置在所述驱动第一线束上；

第二拉力传感器，所述第二拉力传感器设置在所述驱动第二线束上。

可选地，所述防崴脚组件包括：

小腿护板，所述小腿护板上设置有第一导线套以及第二导线套，所述驱动第一线束穿过所述第一导线套与所述辅助鞋组件的第一位置连接，所述驱动第二线束穿过所述第二导线套与所述辅助鞋组件的第二位置连接；

第一磁流变阻尼器，所述第一磁流变阻尼器一端与所述小腿护板铰接，另一端与所述辅助鞋组件铰接；

第二磁流变阻尼器，所述第二磁流变阻尼器一端与所述小腿护板铰接，另一端与所述辅助鞋组件铰接；其中，

所述第一磁流变阻尼器以及第二磁流变阻尼器用于在所述角速度检测装置检测到人体踝关节冠状面角速度超过预设速度时提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力。

可选地，所述角速度检测装置为陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器安装在所述辅助鞋组件上；

所述鞋套后护板上设置有多个位于不同位置的螺栓孔；

所述陀螺仪传感器能够通过其中的一个或多个螺栓孔与所述鞋套后护板连接，从而通过与不同螺栓孔连接的方式调整其与所述辅助鞋本体上的使用者的脚的相对位置；其中，

所述陀螺仪传感器用于检测所述人体踝关节冠状面角速度。

可选地，所述辅助鞋组件包括：

辅助鞋本体，辅助鞋本体用于支撑使用者的脚；

鞋套后护板，所述鞋套后护板设置在所述辅助鞋本体上，用于供所述使用者的脚后跟抵靠，所述陀螺仪传感器安装在所述鞋套后护板上，且能够在所述鞋套后护板上移动，从而调整其与位于所述辅助鞋本体上的使用者的脚的相对位置。

可选地，所述防崴脚踝关节助力外骨骼系统进一步包括：

气囊组件，所述气囊组件与辅助鞋组件内侧采用尼龙粘扣的方式粘连，所述气囊组件用于崴脚时自动充气对人体踝关节提供缓冲支撑作用；

足底压力传感器，所述足底压力传感器内嵌于辅助鞋组件的鞋底板中，所欲足底压力传感器用于检测人体足底压力是否有异常；其中，

所述气囊组件用于在所述使用者的脚崴脚变形时充气从而为使用者提供缓冲。

本申请还提供了一种防崴脚控制方法，用于如上所述的防崴脚踝关节助力外骨骼系统，其特征在于，所述防崴脚控制方法包括：

实时获取人体踝关节冠状面角速度信息；

每隔预设时间判断人体踝关节冠状面角速度信息是否超过预设阈值，若是，则

控制防崴脚组件提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力。

本申请的防崴脚踝关节助力外骨骼系统设计一种不限制踝关节各个自由度运动同时又可在内/外翻失去稳定时防崴脚的踝关节康复/助力外骨骼，从而在人体踝关节冠状面角速度超过预设速度时提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力，防止人体崴脚。

附图说明

图1是根据本申请一实施例的防崴脚踝关节助力外骨骼系统的系统示意图。

图2是图1所示的防崴脚踝关节助力外骨骼系统中的磁流变阻尼器的结构示意图。

图3是图1所示的防崴脚踝关节助力外骨骼系统中的驱动组件的结构示意图。

图4是图1所示的防崴脚踝关节助力外骨骼系统中的辅助鞋组件以及防崴脚组件的结构后视图。

图5是图1所示的防崴脚踝关节助力外骨骼系统中的驱动组件的另一结构示意图。

图6是图1所示的防崴脚踝关节助力外骨骼系统安装在人体上的人体效果示意图；其中，图6为防崴脚踝关节助力外骨骼系统安装在单腿上。

图7是图1所示的防崴脚踝关节助力外骨骼系统安装在人体上的人体效果示意图；其中，图7中的驱动源组件安装在跑步机上。

图8是图1所示的防崴脚踝关节助力外骨骼系统安装在人体上的人体效果示意图；其中，图8中的驱动源组件安装在助行器上。

图9是图1所示的防崴脚踝关节助力外骨骼系统安装在人体上的人体效果示意图；其中，图6为防崴脚踝关节助力外骨骼系统安装在双腿上。

图10是图1所示的防崴脚踝关节助力外骨骼系统的鞋套后护板部分结构示意图。

图11是本申请另一实施例的防崴脚踝关节助力外骨骼系统的辅助鞋组件部分结构示意图。

图12是图11所示的防崴脚踝关节助力外骨骼系统的气囊部分结构示意图。

附图标记

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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申请和简化描述，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申请保护范围的限制。

如图1至图12所示的防崴脚踝关节助力外骨骼系统包括绳驱动组件、辅助鞋组件、防崴脚组件以及角速度检测装置，其中，

绳驱动组件包括驱动组件以及驱动绳组件，所述驱动组件具有一个驱动端，所述驱动绳组件的一端与所述驱动端连接；

辅助鞋组件上设置有多个连接点，每个连接点均与所述驱动绳组件连接；

防崴脚组件的一端与所述驱动绳组件连接，另一端与所述辅助鞋组件连接；

角速度检测装置安装在所述辅助鞋组件上，所述角速度检测装置用于检测所述人体踝关节冠状面角速度；其中，

辅助鞋组件用于为使用者的脚提供支撑；

驱动组件用于驱动所述驱动绳组件运动，从而使驱动绳组件带动所述辅助鞋组件运动，以使所述辅助鞋组件为使用者的脚提供助力；

防崴脚组件用于在所述角速度检测装置检测到人体踝关节冠状面角速度超过预设速度时提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力。

本申请的防崴脚踝关节助力外骨骼系统设计一种不限制踝关节各个自由度运动同时又可在内/外翻失去稳定时防崴脚的踝关节康复/助力外骨骼，从而在人体踝关节冠状面角速度超过预设速度时提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力，防止人体崴脚。

在本实施例中，防崴脚踝关节助力外骨骼系统进一步包括腰部组件，所述驱动组件安装在腰部组件上；

所述腰部组件包括：

背部组件，所述背部组件用于与人体连接。

在本实施例中，所述背部组件包括背板2以及尼龙绑带1，驱动组件安装在背板2上，驱动绳组件至少部分安装在背板2上；尼龙绑带1与背板2连接。

在本实施例中，所述驱动组件包括电源组件4、电机组件3以及绕线轮8，其中，

电源组件4安装在背板2上；

电机组件3安装在背板2上；

绕线轮8安装在电机组件3上，当电机组件3的输出端旋转时能够带动所述绕线轮8旋转。

在本实施例中，驱动绳组件包括鲍登线内芯10、第一拉力传感器以及第二拉力传感器19，鲍登线内芯10的一端缠绕在绕线轮8上，鲍登线内芯10的另一端分成驱动第一线束101以及驱动第二线束102，驱动第一线束101与辅助鞋组件的第一位置连接，驱动第二线束102与辅助鞋组件的第二位置连接，其中，第一位置靠近使用者的前脚掌，第二位置靠近所述使用者的踝关节；

第一拉力传感器设置在所述驱动第一线束101上；

第二拉力传感器19设置在驱动第二线束102上。

在本实施例中，所述防崴脚组件包括小腿护板12、第一磁流变阻尼器16以及第二磁流变阻尼器，其中，

小腿护板12上设置有第一导线套以及第二导线套13，驱动第一线束穿过第一导线套与辅助鞋组件的第一位置连接，驱动第二线束102穿过第二导线套13与所述辅助鞋组件的第二位置连接；

第一磁流变阻尼器16一端与小腿护板12铰接，另一端与辅助鞋组件铰接；

第二磁流变阻尼器一端与所述小腿护板12铰接，另一端与所述辅助鞋组件铰接；其中，

第一磁流变阻尼器以及第二磁流变阻尼器用于在所述角速度检测装置检测到人体踝关节冠状面角速度超过预设速度时提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力。

在本实施例中，驱动绳组件进一步包括鲍登线外鞘。

参见图1，在本实施例中，尼龙绑带1与背板2相连，电源组件4(在本实施例中，电源组件包括电源及控制器，用于为所述电机供电并控制电机工作)、电机组件3通过螺钉与背板2相连，电机组件的外壳侧部开有螺纹孔，与驱动绳组件中的鲍登线外鞘接头螺纹连接。

在本实施例中，在本申请的防崴脚踝关节助力外骨骼系统不使用时，本申请的驱动绳组件可以从辅助鞋上拆卸下来，此时，驱动绳组件中的鲍登线内芯10可以缠绕在驱动组件中的绕线轮上，此时，本申请的防崴脚踝关节助力外骨骼系统的驱动组件以及驱动绳组件可以与防崴脚组件等分开放置。

在本实施例中，使用时，驱动组件还可以设置在其他位置而并非与背板连接，例如，参见图7，驱动组件以及部分鲍登线内芯通过螺钉连接固定在置物架上，置物架位于跑步机后方。又或者参见图8，驱动组件以及部分鲍登线内芯安装在助行器的置物板上。

具体而言，驱动组件进一步包括壳体，电源组件4以及电机组件3均设置在壳体内，与鲍登线共同构成功能独立且布置位置不依赖特定对象的模块化驱动单元。采用这种方式，使得整个驱动组件可以根据应用场景的需求设置在任何地方。

在本实施例中，参见图3，盘式直流无刷电机5和摆线针轮减速机7通过联轴器35相连，用于降低电机转速，提高辅助扭矩。鲍登线绕线轮8通过螺钉与减速机输出盘固连，鲍登线经绕线轮驱动穿过外壳侧方通孔，进而与力输出装置连接，实现对外骨骼的助力。

采用这种方式的优点在于：系统集成了电机、减速机、绕线轮，提供高效可靠的动力输出，使外骨骼机器人的驱动装置结构紧凑，减小外骨骼的体积和重量。模块化驱动装置方便拆卸，安装维护时只需考虑模块化外壳与输出装置的装配。通过模块的组合使用，可以满足外骨骼不同的应用需求。参见图6，穿戴式外骨骼使用两个驱动绳模块，可以实现单腿助力。参见图7，跑步机式外骨骼使用驱动绳模块，可以调整运动速度和运动坡度，提供不同的康复训练强度。参见图8，助行器式外骨骼使用驱动绳模块，可以满足用户在户外、室内多场景下使用需求，有助于改善平衡和稳定性。参见图9，穿戴式外骨骼通过四个模块的组合使用可以实现双腿的助力，实现了人机一体化，具有良好的可携带性和地形适应性。外骨骼技术的升级也可以通过驱动模块装置的升级进行更换或添加，无需整个装置的拆卸。

鲍登线外鞘11有两条，分别与小腿护板12上的第一导线套以及第二导线套13连接，小腿护板12分为前后两瓣，以便人体穿戴，小腿护板内侧通过合页14连接，外侧绑有芭扣15，可以根据用户体型差异进行松紧调节。

在本实施例中，第一磁流变阻尼器以及第二磁流变阻尼器16上端均与小腿护板12连接，下端与辅助鞋组件连接。

具体地，第一磁流变阻尼器以及第二磁流变阻尼器16上端通过球轴承与小腿护板12连接，下端通过球铰链17与辅助鞋组件连接。

在本实施例中，第一拉力传感器设置在所述驱动第一线束101上，第二拉力传感器19设置在所述驱动第二线束102上。

本申请进一步包括惯性测量单元20，惯性测量单元20固定在小腿护板12和辅助鞋组件18上用于测量踝关节矢状面的角度及角速度进行反馈控制。

在本实施例中，角速度检测装置为陀螺仪传感器21，陀螺仪传感器21安装在辅助鞋组件上，陀螺仪传感器21用于检测人体踝关节冠状面角速度。

参见图2，在本实施例中，第一磁流变阻尼器16主要由活塞杆22、线圈23、密封圈24、端盖25、密封塞26组成。

具体而言，活塞杆22开有通线槽，以便给线圈23供电，线圈缠绕在活塞杆中部，线圈表面采用树脂密封，防止线圈外包线腐蚀。采用密封圈24来对磁流变液进行密封，阻尼器端盖25通过螺钉与缸筒连接，缸筒上开有注液孔，将磁流变液通过注液孔注入到缸筒中，而后用密封塞26进行密封。

可以理解的是，第一磁流变阻尼器16与第二磁流变阻尼器结构相同，在此不再赘述。

在本实施例中，鲍登线内芯10绕在绕线轮8上，脚掌处传动线与脚跟处传动线配置方式相同，鲍登线外鞘11上端与背板上的压线套连接，下端与小腿护板12上的导线套连接，每根线内芯10通过外鞘11进行导向，连接到鞋套上的弹簧钩上。传动线10在安装时需要预紧，使得主轴9与鲍登线内芯10间摩擦力足够。

在本实施例中，所述辅助鞋组件包括辅助鞋本体28以及鞋套后护板27，其中，

辅助鞋本体28用于支撑使用者的脚；

鞋套后护板27设置在辅助鞋本体28上，用于供所述使用者的脚后跟抵靠，陀螺仪传感器21安装在所述鞋套后护板27上，且能够在所述鞋套后护板上移动，从而调整其与位于所述辅助鞋本体上的使用者的脚的相对位置。

参见图11以及图12，在另一个实施例中，所述气囊组件44包括定制形状的TPU尼龙复合材质气囊45，微型直流电机49，触发机构，和二氧化碳高压气瓶47，其中，

参见图11，气囊通过尼龙粘扣粘接在鞋套后护板两侧，高压气瓶通过气瓶支架与鞋套底板固定。

触发机构包括一个曲柄滑块机构46、刺针以及绑线：

绑线一端连接在曲柄滑块机构顶摇杆与连杆连接处，另一端缠绕在微型直流电机49输出轴上，当检测到踝关节冠状面角速度超过阈值时，控制电机转动，拉动绑线，使摇杆转动，滑块刺针向二氧化碳高压气瓶47移动，刺破二氧化碳高压气瓶47上的薄膜，向气囊45充气。对失稳的踝关节进行支撑，也为防崴脚组件对人体作用时提供缓冲，有利于人体的舒适度。

在本实施例中，辅助鞋本体28的脚背与脚跟部分皆通过吊环螺栓与弹簧钩29相连，继而通过弹簧钩29与鲍登线内芯10连接，采用这种方式，方便辅助鞋本体28与鲍登线内芯10的拆卸，辅助鞋组件后护板27与辅助鞋本体28通过螺钉连接，通过与不同螺栓孔连接的方式调整护板的前后位置以实现大小调节功能，具体而言，参见图4，在本实施例中，辅助鞋本体28的靠近辅助鞋组件后护板27的部分设置有多组螺栓孔，辅助鞋组件后护板27通过与不同的螺栓孔连接，可以实现不同位置的调整。

在本实施例中，鞋套后护板27上设置有多个位于不同位置的螺栓孔；

陀螺仪传感器21能够通过其中的一个或多个螺栓孔与所述鞋套后护板27连接，从而通过与不同螺栓孔连接的方式调整其与所述辅助鞋本体上的使用者的脚的相对位置，使陀螺仪的中心轴线与踝关节冠状面转动轴线重合(外踝下1cm处)。

通过这种方式，能够根据人的体型不同将陀螺仪传感器21调整到最适合测量人体踝关节冠状面角速度的位置。

参见图3以及图5，在本实施例中，电机组件包括直流无刷电机5，直流无刷电机5包括无刷直流电机定子33以及电机转子32，在本实施例中，通过无刷直流电机定子33线圈通电产生磁场，驱动电机转子32转动，转子通过键连接带动连接轴34转动，连接轴34和齿轮轴36通过梅花联轴器35相连接。

在本实施例中，连接轴34轴旋转驱动减速器7运动，当减速器齿轮轴36顺时针方向旋转，带动行星轮37在绕中心轮轴心公转的同时还有逆时针方向自转，曲柄轴41与行星轮37相固连而同速转动，摆线轮40铰接在曲柄轴上，并与固定的针轮相啮合，在其轴线绕针轮轴线公转的同时，还将反方向自转，即顺时针转动。

输出盘39由装在其上的曲柄轴支撑轴承来推动，绕线轮8与输出盘39通过螺钉连接，进而带动绕线轮8做回转运动。

电机组件的外筒38下端开有螺纹孔，鲍登线外鞘11接头攻螺纹，与外筒螺纹配合。外筒38上端开有电机导线孔，方便接线供电。模块外筒38和模块盖板42螺栓连接。绕线轮8的线槽用于存储内芯绳体，鲍登线内芯10缠绕在绕线轮8上随之伸缩。

在本实施例中，磁流变阻尼器16主要由活塞杆22、线圈23、密封圈24、端盖25等零部件组成。

参见图2，磁流变阻尼器16在辅助鞋组件18两侧对称布置，辅助鞋组件18两侧对称受力，通过辅助鞋组件后侧的陀螺仪传感器21把踝关节冠状面角速度数据送到控制器中，从而判断人体当前状态，系统通过向磁流变阻尼器中的励磁线圈23施加可调的电流来实现阻尼力大小控制。

在本实施例中，当人体踝关节冠状面角速度超过300°/s时，控制电流增大，阻尼力增大，两个磁流变阻尼器通过球铰链17拉动辅助鞋组件18，提供与脚当前运动方向相反的支撑力，防止崴脚。

当人体踝关节冠状面角速度在300°/s以内时，输入电流值稳定，阻尼力稳定，根据人体步态，活塞杆22上下摆动，通过活塞速度变化改变磁流变液状态，从而控制阻尼力且不限制踝关节内外翻自由度。

在本实施例中，本申请还能够实现辅助行走，具体而言，通过足底压力传感器43和惯性测量单元20实时采集人体运动信息，进而分析人体运动状态。运动传感模块采集的数据通过无线通讯模块传输给运动控制模块，进而控制柔性外骨骼机器人运动。控制外环为采用基于前置导纳的力反馈，内环为绳驱动组件的位置PID控制，上层期望助力F_d作为外环控制输入，经过鲍登线传递模型计算出鲍登线内芯10位移x，拉力传感器实时检测拉力值F，期望助力与拉力传感器的差值作为导纳模型的输入，鲍登线内芯10位移与实际的内芯位移量之差作为内环控制输入，通过该方法实现对期望力矩和鲍登线内芯位移量的轨迹跟踪。具体而言，脚尖离地前，电机组件3带动绕线轮8旋转，使得前侧拉线放松，后侧拉线收紧，完成趾屈动作，脚尖离地后，使得前侧拉线收紧，后侧拉线放松，完成背屈动作，鲍登线外鞘11在电机组件3和小腿护板12之间引导鲍登线内芯10，使得电机组件3能够更加高效地、更加可靠地通过拉线向下肢施加拉力，两腿助力外骨骼分别在抬腿、放腿和支撑步态循环动作，产生助力行走的效果。

参见图7至图9，本申请的电源组件可以有多种布置方式。

参见图7，驱动源布置场景一。电源组件以及绳驱动组件通过螺钉连接固定在置物架上，置物架位于跑步机后方。由于鲍登线长的限制，驱动模块可允许患者在跑步机上小范围的运动，患者通过使用跑步机完成行走康复训练。此种布置方式将质量占比较大的驱动组件置于穿戴者身体之外，有效减轻了穿戴者在使用外骨骼时的附加质量，降低患者负重，一般用于患者初期康复。

参见图8，驱动源布置场景二。电源组件以及绳驱动组件安装在助行器的置物板上，电源组件以及绳驱动组件随助行器的运动而运动，适用于需要使用助行器进行康复训练的患者，助行器辅助患者支撑身体、保持平衡，外骨骼对患者踝关节进行助力和康复，使其逐渐恢复行走能力。与布置场景一相比，此种布置方式具有更好的可移动性，同时驱动组件置于助行器上，分担了患者负重，因而能够更好地进行康复训练，该种布置方式一般适用于患者具备部分行走能力但稳定性不足，需求助行器协助的情况，一般为中期康复阶段。

参见图9，驱动源布置场景三。电源组件、绳驱动组件以及电机组件装配在人体躯干部分的背板上，在患者穿戴外骨骼后驱动装置将一直由人体背负，随着患者移动。此种布置场景具有良好的可携带性和地形适应性，不受运动范围和行走地形的限制，便于患者在日常行走中进行康复，一般用于患者康复后期，独立行走前。

本申请的防崴脚踝关节助力外骨骼系统具有如下优点：

1.基于磁流变阻尼器可以通过改变电流和执行件运动速度调节输出力的量值，当人体出现崴脚趋势时提供阻碍运动的反向支撑力，从而防止人体失去稳定而造成关节损伤。

2.采用鲍登线式动力传动装置，减少导向机构数量，简化外骨骼结构，减轻重量。

3.绳驱动组件集成驱动、传动、控制于一体，实现了外骨骼机器人轻量化与小型化，实现驱动源布置的通用性。

4.充分考虑人机工效学设计，小腿护板形状充分考虑人体舒适度，与人体紧密贴合。

5.踝关节冠状面自适应锁定设计，当人体踝关节失去稳定时提供保护，提高系统安全性。

6.采用绳驱动组件，实现驱动源布置的通用性，可以应用于不同的康复场景。本发明本发明列举三个场景，图7驱动源放置于平台式康复机器人外部固定支架上，不能移动；图8驱动源放置于外部助行器，增加了可携带性，但是要求是在适用于助行器工作的地面，对人体运动范围有一定限制。图9驱动源放置于人体外骨骼躯干部位，随着人体运动。

7.不限制人体下肢自由度，增加人体穿戴舒适，提高人体行走能力。

8.背屈跖屈双向运动，双向助力，提高了该外骨骼机器人的适用范围。

本申请还提供了一种防崴脚控制方法，用于如上所述的防崴脚踝关节助力外骨骼系统，所述防崴脚控制方法包括：

实时获取人体踝关节冠状面角速度信息；

每隔预设时间判断人体踝关节冠状面角速度信息是否超过预设阈值，若是，则

控制防崴脚组件提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力。

在控制防崴脚组件提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力之前，本申请的防崴脚控制方法进一步包括：

实时获取压力传感器所传递的压力信息；

根据所述压力传感器所传递的压力信息以及所述人体踝关节冠状面角速度信息判断是否控制防崴脚组件提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力。

在本实施例中，根据所述压力传感器所传递的压力信息判断是否控制防崴脚组件提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力包括：

判断压力传感器所传递的压力信息是否在预设时间内超过预设压力值，若是，则

判断需要控制防崴脚组件提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力。

本申请的方式考虑在一些情况下，使用者可能会主动进行脚踝的活动，很有可能导致人体踝关节冠状面角速度信息超过预设阈值，但是，这种主动活动脚踝的活动不会让压力突然变大，因此，通过压力传感器的判断可以进一步确定是真正崴脚还是使用者在自行进行脚踝的活动。

可以理解的是，在本实施例中，判断压力传感器所传递的压力信息是否在预设时间内超过预设压力值的预设时间设置值不能过大，可以是1ms或者其他使用者设置的数值。

可以理解的是，这里的预设压力值也可以根据实际需求自行设定。

本申请虽然以较佳实施例公开如上，但其实并不是用来限定本申请，任何本领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本申请的保护范围应当以本申请权利要求所界定的范围为准。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种防崴脚踝关节助力外骨骼系统，其特征在于，所述防崴脚踝关节助力外骨骼系统包括：

绳驱动组件，所述绳驱动组件包括驱动组件以及驱动绳组件，所述驱动组件具有一个驱动端，所述驱动绳组件的一端与所述驱动端连接；

辅助鞋组件，所述辅助鞋组件上设置有至少两个连接点，每个连接点均与所述驱动绳组件连接；

防崴脚组件，所述防崴脚组件的一端与所述驱动绳组件连接，另一端与所述辅助鞋组件连接；

角速度检测装置，所述角速度检测装置安装在所述辅助鞋组件上，所述角速度检测装置用于检测所述人体踝关节冠状面角速度；其中，

所述辅助鞋组件(18)用于为使用者的脚提供支撑；

所述驱动组件用于驱动所述驱动绳组件运动，从而使驱动绳组件带动所述辅助鞋组件(18)运动，以使所述辅助鞋组件为使用者的脚提供助力；

所述防崴脚组件用于在所述角速度检测装置检测到人体踝关节冠状面角速度超过预设速度时提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力。

2.如权利要求1所述的防崴脚踝关节助力外骨骼系统，其特征在于，防崴脚踝关节助力外骨骼系统进一步包括腰部组件，所述驱动组件安装在腰部组件上；

所述腰部组件包括：

背部组件，所述背部组件用于与人体连接。

3.如权利要求2所述的防崴脚踝关节助力外骨骼系统，其特征在于，所述背部组件包括：

背板(2)，所述驱动组件安装在所述背板(2)上，所述驱动绳组件至少部分安装在所述背板(2)上；

尼龙绑带(1)，所述尼龙绑带(1)与所述背板(2)连接。

4.如权利要求3所述的防崴脚踝关节助力外骨骼系统，其特征在于，所述驱动组件包括：

电源组件(4)，所述电源组件(4)安装在所述背板(2)上；

电机组件(3)，所述电机组件(3)安装在所述背板(2)上；

绕线轮(8)，所述绕线轮(8)安装在所述电机组件(3)上，当所述电机组件(3)的输出端旋转时能够带动所述绕线轮(8)旋转。

5.如权利要求4所述的防崴脚踝关节助力外骨骼系统，其特征在于，所述驱动绳组件包括：

鲍登线内芯(10)，所述鲍登线内芯(10)的一端缠绕在所述绕线轮(8)上，所述鲍登线内芯(10)的另一端分成驱动第一线束(101)以及驱动第二线束(102)，所述驱动第一线束(101)与所述辅助鞋组件的第一位置连接，所述驱动第二线束(102)与所述辅助鞋组件的第二位置连接，其中，所述第一位置靠近使用者的前脚掌，所述第二位置靠近所述使用者的踝关节；

第一拉力传感器，所述第一拉力传感器设置在所述驱动第一线束(101)上；

第二拉力传感器(19)，所述第二拉力传感器(19)设置在所述驱动第二线束(102)上。

6.如权利要求5所述的防崴脚踝关节助力外骨骼系统，其特征在于，所述防崴脚组件包括：

小腿护板(12)，所述小腿护板(12)上设置有第一导线套以及第二导线套(13)，所述驱动第一线束穿过所述第一导线套与所述辅助鞋组件的第一位置连接，所述驱动第二线束(102)穿过所述第二导线套(13)与所述辅助鞋组件的第二位置连接；

第一磁流变阻尼器(16)，所述第一磁流变阻尼器(16)一端与所述小腿护板(12)铰接，另一端与所述辅助鞋组件(18)铰接；

第二磁流变阻尼器，所述第二磁流变阻尼器一端与所述小腿护板(12)铰接，另一端与所述辅助鞋组件(18)铰接；其中，

所述第一磁流变阻尼器以及第二磁流变阻尼器用于在所述角速度检测装置检测到人体踝关节冠状面角速度超过预设速度时提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力。

7.如权利要求6所述的防崴脚踝关节助力外骨骼系统，其特征在于，所述角速度检测装置为陀螺仪传感器(21)，所述陀螺仪传感器(21)安装在所述辅助鞋组件上；

所述鞋套后护板上设置有多个位于不同位置的螺栓孔；

所述陀螺仪传感器(21)能够通过其中的一个或多个螺栓孔与所述鞋套后护板连接，从而通过与不同螺栓孔连接的方式调整其与所述辅助鞋本体上的使用者的脚的相对位置；其中，

所述陀螺仪传感器(21)用于检测所述人体踝关节冠状面角速度。

8.如权利要求7所述的防崴脚踝关节助力外骨骼系统，其特征在于，所述辅助鞋组件(18)包括：

辅助鞋本体(28)，辅助鞋本体(28)用于支撑使用者的脚；

鞋套后护板(27)，所述鞋套后护板(27)设置在所述辅助鞋本体(28)上，用于供所述使用者的脚后跟抵靠，所述陀螺仪传感器(21)安装在所述鞋套后护板(27)上，且能够在所述鞋套后护板上移动，从而调整其与位于所述辅助鞋本体上的使用者的脚的相对位置。

9.如权利要求8所述的防崴脚踝关节助力外骨骼系统，其特征在于，所述防崴脚踝关节助力外骨骼系统进一步包括：

气囊组件，所述气囊组件与辅助鞋组件内侧采用尼龙粘扣的方式粘连，所述气囊组件用于崴脚时自动充气对人体踝关节提供缓冲支撑作用；

足底压力传感器，所述足底压力传感器内嵌于辅助鞋组件的鞋底板中，所述足底压力传感器用于检测人体足底压力是否有异常；其中，

所述气囊组件用于在所述使用者的脚崴脚变形时充气从而为使用者提供缓冲。

10.一种防崴脚控制方法，用于如权利要求1至9中任意一项所述的防崴脚踝关节助力外骨骼系统，其特征在于，所述防崴脚控制方法包括：

实时获取人体踝关节冠状面角速度信息；

每隔预设时间判断人体踝关节冠状面角速度信息是否超过预设阈值，若是，则

控制防崴脚组件提供防止使用者的脚在人体踝关节冠状面进一步运动的反向支撑力。