全下肢外骨骼及其操作方法技术

本发明专利技术涉及下肢外骨骼技术领域，公开了全下肢外骨骼，还公开了全下肢外骨骼的操作方法，包括骨骼系统，骨骼系统包括腰髋架(1)、左腿架和右腿架，左腿架和右腿架均包括大腿部件(2)、小腿部件(3)和脚部件(11)，腰髋架(1)和大腿部件(2)之间设有辅助腿内外展装置(4)、辅助腿内外旋装置(5)和辅助腿屈伸装置(6)，辅助腿内外旋装置(5)包括第一转轴(51)，第一转轴(51)的方向垂直于水平面。本发明专利技术具有增强或部分替代使用者下肢运动能力的功能，适用于下肢被截肢或者下肢运动能力弱的使用者。

Total lower limb exoskeleton and method of operation

The present invention relates to the technical field of lower extremity exoskeleton, discloses full lower extremity exoskeleton, also discloses a method for operating a full lower extremity exoskeleton, including skeletal system, skeletal system includes a waist hip frame (1), left leg and right leg, left leg and right leg includes a thigh part (2), leg parts (3) and the foot member (11), waist hip and thigh frame (1) (2) part of the auxiliary leg device is arranged between the inside and outside the exhibition (4), the auxiliary leg rotation (5) device and auxiliary leg flexion device (6), the auxiliary leg rotation device (5) comprises a first shaft (51). The first shaft (51) in the direction perpendicular to the horizontal plane. The invention has the function of enhancing or partly replacing the lower limb exercise ability of users, and is suitable for users with lower limb amputation or lower limb movement ability.

【技术实现步骤摘要】
全下肢外骨骼及其操作方法
本专利技术涉及下肢外骨骼
，涉及了全下肢外骨骼，尤其涉及了全下肢外骨骼的操作方法。
技术介绍
个人助行外骨骼机器人作为一种可穿戴设备，是典型的人机混合系统，我国现在的外骨骼机器人还处在研发阶段；针对下肢的设计，目前均无自主平衡能力，需要使用拐杖辅助来保持身体的平衡，这相当于在行走或者站立时无法腾出双手来做其它事情，同时由于需要运用双手来保持了身体平衡，所以双手会需要承担相当一部分的身体重量，这对于年老体弱或上肢无力的人群会造成一定的困难。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的缺点，提供了一种全下肢外骨骼，还提供了全下肢外骨骼的操作方法。为了解决上述技术问题，本专利技术通过下述技术方案得以解决：全下肢外骨骼，包括骨骼系统，骨骼系统包括腰髋架、左腿架和右腿架，左腿架和右腿架均包括大腿部件、小腿部件和脚部件，腰髋架和大腿部件之间设有辅助腿内外展装置、辅助腿内外旋装置和辅助腿屈伸装置，辅助腿内外展装置和辅助腿内外旋装置设在辅助腿屈伸装置的上侧，辅助腿内外旋装置包括第一转轴，第一转轴的方向垂直于水平面。本专利技术具有增强或替代使用者下肢运动能力的功能，适用于下肢被截肢或者下肢运动能力弱的使用者。本专利技术通过绑带与使用者下肢固定在一起，通过本专利技术的帮助，协助使用者下肢承担原本需要负担的整条腿或整个人的重量，现在只需要负担腿的一部分重量，甚至只需要某一块肌肉轻微收缩，大大减轻人体完成动作时的下肢负担。对于被截肢的使用者，代替了腿的功能，协助使用者自如的完成迈腿、伸屈腿、转身等动作。髋关节一共有三根旋转轴，分别模拟人体髋关节的屈伸、内外展、内外旋，具体为辅助腿内外展装置、辅助腿内外旋装置和辅助腿屈伸装置。右腿脚尖向右旋转时，右腿的辅助腿内外旋装置协助右腿脚尖向右旋转。辅助腿内外展装置协助腿完成向左右跨腿的动作。辅助腿屈伸装置协助腿完成前后屈伸运动。作为优选，辅助腿内外展装置设在辅助腿内外旋装置的上侧。作为优选，辅助腿内外展装置设在辅助腿内外旋装置的下侧。根据使用者的身形、需求，可以调整辅助腿内外展装置和辅助腿内外旋装置的上下位置。作为优选，辅助腿内外展装置包括第二转轴，第二转轴轴向与水平面平行，且第二转轴轴向与脚延伸方向一致；辅助腿屈伸装置包括第三转轴，第三转轴轴向与水平面平行，且第三转轴轴向与第二转轴轴向垂直。辅助腿内外展装置协助腿完成向左右跨腿的动作，如右腿的辅助腿内外展装置通过右腿的第二转轴旋转，在身体右、左方向完成右腿向外展和向内展的动作。辅助腿屈伸装置协助腿完成前后屈伸运动，辅助腿屈伸装置通过绕第三转轴运动完成腿在身体向后方向完成屈伸运动。作为优选，还包括动力系统，动力系统包括减速机和电机；电机包括第一电机、第二电机和第三电机；减速机包括第一减速机、第二减速机和第三减速机，第一电机和第一减速机与第一转轴配合连接，第二电机和第二减速机与第二转轴配合连接，第三电机和第三减速机与第三转轴配合连接。各转轴(如第一转轴、第二转轴、第三转轴等)均设有减速机和电机，电机安装在减速机上，电机轴与减速机轴连接，电机为相应转轴运动提供动力，运动到一定程度通过减速机调整速度或者暂停相应动作。作为优选，大腿部件和小腿部件之间设有膝关节部件，膝关节部件设有第四转轴；小腿部件和脚部件之间设有踝关节部件，踝关节部件设有第五转轴；；电机包括第四电机和第五电机；减速机包括第四减速机和第五减速机，第四电机和第四减速机与第四转轴配合连接，第五电机和第五减速机与第五转轴配合连接。膝关节部件、踝关节部件、髋关节部件均设有减速机和电机，电机安装在减速机上，电机轴与减速机轴连接，电机为相应转轴运动提供动力，运动到一定程度通过减速机调整速度或者暂停相应动作。减速机输出轴旋转中心与膝关节部件的旋转轴同心，减速机旋转中心与踝关节部件的旋转轴同心。作为优选，还包括传感系统，传感系统包括压力传感器、位置传感器和加速度计；脚部件设有至少4个压力传感器；腰髋架、大腿部件、小腿部件与人体接触部位均设有压力传感器，压力传感器用来感知人体的运动；腰髋架设有加速度计，加速度计用来实时检测人体运动的加速度；电机内设有位置传感器，位置传感器用于反馈该电机对应的辅助腿内外展装置或辅助腿内外旋装置或辅助腿屈伸装置或膝关节部件或踝关节部件的旋转角度和旋转速度。作为优选，还包括中央处理系统，动力系统还包括电机驱动器；中央处理系统包括中央处理器，中央处理系统与传感系统连接，中央处理系统接收并处理传感系统实时传回的信号数据，中央处理系统与电机驱动器相连，中央处理系统通过给电机驱动器输出指令，控制电机工作。本专利技术通过绑带与使用者下肢固定在一起，其中骨骼系统与使用者肢体的接触部位有1个或数个压力传感器。当使用者下肢开始运动时，中央处理系统根据传感系统中压力传感器采集得到的因使用者肢体轻微移动(或肌肉收缩)造成的压力值变化数据，经过特殊算法计算处理后控制动力系统带动骨骼系统，骨骼系统通过推、拉等方式为使用者下肢提供额外动力，进而协助使用者下肢运动。在运动过程中，中央处理系统将重新通过特殊算法，对骨骼系统与使用者下肢间的实时压力值进行重新计算处理，进而控制动力系统，维持或调整骨骼系统的运动，如此循环，直到压力传感器采集的数据达到一个设定的阀值，此时中央处理系统中的特殊算法判断使用者下肢不再发生移动，从而控制设备保持该位置，直到使用者下肢再次主动运动，改变压力传感器压力值并被中央处理系统获取。每个电机均配有一个电机驱动器。作为优选，动力系统还设有电池包，电池包与电机驱动器及中央处理系统相连。由电池包为整套设备提供电源。全下肢外骨骼的操作方法，通过绑带将以上提到的全下肢外骨骼固定到使用者的腰部及下肢，脚部件的压力传感器采集获取脚底各位置的压力值，并将压力值传输给中央处理系统，中央处理系统通过计算得出ZMP位置，同时根据脚底压力传感器采集的压力值和压力所处位置计算出最大凸多边形的范围，当ZMP位置超出最大凸多边形的范围时，中央处理系统经过计算，给动力系统输出指令，调整双脚的位置，最终使得ZMP位置再次位于最大凸多边形的范围内，协助使用者重新稳定站立。ZMP为ZeroMomentPoint的缩写，即零力矩点，在ZMP的位置，重力对使用者施加的转矩为零。当使用者有移动的意愿时，只要给出向前行走的指令(一种触发信号)，中央处理系统通过特殊的算法，控制动力系统主动调整使用者身体重心，从而改变使用者脚底ZMP位置，并且保证除了极短暂的单脚离地的时间外，其余状况下的ZMP位置始终位于双脚围成的最大凸多边形内，实现稳定行走，该机制使得设备可以替代人体双腿行走的功能。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术具有增强或部分替代使用者下肢运动能力的功能，适用于下肢被截肢或者下肢运动能力弱的使用者。本专利技术通过绑带与使用者下肢固定在一起，通过本专利技术的帮助，协助使用者下肢承担原本需要负担的整条腿或整个人的重量，现在只需要负担腿的一部分重量，甚至只需要某一块肌肉轻微收缩，大大减轻人体完成动作时的下肢负担。对于被截肢的使用者，代替了腿的功能，协助使用者自如的完成迈腿、伸屈腿、转身等动作。辅助腿内外旋装置协助完成转身的动作，如身体向右后旋转时，右腿的辅助腿内外旋装置(通过右腿的第一转轴旋转)协助右腿旋转向后本文档来自技高网...

【技术保护点】
全下肢外骨骼，其特征在于：包括骨骼系统，骨骼系统包括腰髋架(1)、左腿架和右腿架，左腿架和右腿架均包括大腿部件(2)、小腿部件(3)和脚部件(11)，腰髋架(1)和大腿部件(2)之间设有辅助腿内外展装置(4)、辅助腿内外旋装置(5)和辅助腿屈伸装置(6)，辅助腿内外展装置(4)和辅助腿内外旋装置(5)设在辅助腿屈伸装置(6)的上侧，辅助腿内外旋装置(5)包括第一转轴(51)，第一转轴(51)的方向垂直于水平面。

【技术特征摘要】
1.全下肢外骨骼，其特征在于：包括骨骼系统，骨骼系统包括腰髋架(1)、左腿架和右腿架，左腿架和右腿架均包括大腿部件(2)、小腿部件(3)和脚部件(11)，腰髋架(1)和大腿部件(2)之间设有辅助腿内外展装置(4)、辅助腿内外旋装置(5)和辅助腿屈伸装置(6)，辅助腿内外展装置(4)和辅助腿内外旋装置(5)设在辅助腿屈伸装置(6)的上侧，辅助腿内外旋装置(5)包括第一转轴(51)，第一转轴(51)的方向垂直于水平面。2.根据权利要求1所述的全下肢外骨骼，其特征在于：辅助腿内外展装置(4)设在辅助腿内外旋装置(5)的上侧。3.根据权利要求1所述的全下肢外骨骼，其特征在于：辅助腿内外展装置(4)设在辅助腿内外旋装置(5)的下侧。4.根据权利要求1所述的全下肢外骨骼，其特征在于：辅助腿内外展装置(4)包括第二转轴(41)，第二转轴(41)轴向与水平面平行，且第二转轴(41)轴向与脚延伸方向一致；辅助腿屈伸装置(6)包括第三转轴(61)，第三转轴(61)轴向与水平面平行，且第三转轴(61)轴向与第二转轴(41)轴向垂直。5.根据权利要求4所述的全下肢外骨骼，其特征在于：还包括动力系统，动力系统包括减速机和电机；电机包括第一电机(52)、第二电机(42)和第三电机(62)；减速机包括第一减速机(53)、第二减速机(43)和第三减速机(63)，第一电机(52)和第一减速机(53)与第一转轴(51)配合连接，第二电机(42)和第二减速机(43)与第二转轴(41)配合连接，第三电机(62)和第三减速(63)机与第三转轴(61)配合连接。6.根据权利要求5所述的全下肢外骨骼，其特征在于：大腿部件(2)和小腿部件(3)之间设有膝关节部件(7)，膝关节部件(7)设有第四转轴(71)；小腿部件(3)和脚部件(11)之间设有踝关节部件(8)，踝关节部件(8)设有第五转轴(81)；电机包括第四电机(7...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴晖晔，
申请(专利权)人：艾施科杭州科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33