一种下肢外骨骼助力装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种下肢外骨骼助力装置，包括左腿部助力装置和右腿部助力装置中的至少一种，每一腿部助力装置包括气动系统、脚部固定部、小腿连接部、脚腕固定部、小腿固定部、大腿固定部、大腿根固定部；其中脚部固定部与小腿连接部进行固定连接，小腿连接部通过第一气动活塞与小腿固定部活动连接，小腿固定部部分向下延伸并连接脚腕固定部，小腿固定部通过第二气动活塞与大腿固定部活动连接，大腿固定部通过第三和第四气动活塞与大腿根固定部活动连接；本发明专利技术还涉及一种上述装置的控制方法。本发明专利技术旨在模拟人体肌肉作用效果，在腿部安装压缩空气气缸，通过精密控制传感器读取运动意图，在合适的时刻给予合适的助力，实现人体力量和运动表现的提升。

A lower limb exoskeleton booster device and its control method

The present invention relates to a lower limb exoskeleton support device, including at least one of the left leg support device and the right leg support device. Each leg support device includes a pneumatic system, a foot fixed part, a leg connection part, a foot and wrist fixed part, a leg fixation part, a thigh fixed part, a leg root fixed part, and a foot fixed. The part of the leg is connected with the connecting part of the leg, the leg connection part is connected with the fixed part of the leg through the first pneumatic piston, the leg fixing part extends downward and connects the foot and wrist fixed part, the leg fixing part is connected with the leg fixed part through the second pneumatic piston, and the thigh fixed part passes through the third and the fourth pneumatic piston. The invention also relates to a control method for the above device. The aim of the invention is to simulate the effect of human muscles, to install compressed air cylinders in the legs, to read the motion intention by the precision control sensor, and to give the right aid at the appropriate time to achieve the improvement of the body's strength and movement.

【技术实现步骤摘要】
一种下肢外骨骼助力装置及其控制方法
本专利技术涉及一种外骨骼装置，尤其涉及一种下肢外骨骼助力装置及其控制方法。
技术介绍
外骨骼是融合传感、控制、信息、融合、移动计算的为操作者提供一种可穿戴的机械机构。外骨骼是一种能够增强人体能力的可穿戴机器，它能够帮助人们跑得更快、跳得更高、能够携带更多更重的东西。目前穿戴式外骨骼广泛应用于医疗康复、工业生产以及军事应用等众多领域。目前较为常见的穿戴式下肢外骨骼包括：膝关节助力外骨骼、负重下肢外骨骼、辅助行走软外骨骼以及医用下肢康复外骨骼。其中，膝关节助力外骨骼主要由弹性材料构成，无外部动力，其对人的运动的助力十分有限；负重下肢外骨骼为刚性支撑，动力为弹簧以及液压系统，其动力系统体积庞大，佩戴不便；辅助行走软外骨骼模拟人体肌肉牵拉，通过弹力绷带和钢丝收缩器进行驱动，以达到减少人体行走能量消耗的目的，但其控制存在不准确的缺点；医用下肢康复外骨骼，动力为腿部装置内的扭力电机，该下肢装置存在体积大，活动性欠佳的缺点。上述四种现有技术中的穿戴式下肢外骨骼只能机械地重复预设的动作，驱动方式过于僵硬，无法完全遵从穿戴者的意愿，且对人体运动表现的提高帮助有限。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的问题，提供了一种下肢外骨骼助力装置及其控制方法，其旨在模拟人体肌肉作用效果，在腿部安装压缩空气气缸，通过精密控制传感器读取运动意图，在合适的时刻给予合适的助力，实现人体力量和运动表现的提升。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的第一个目的是提供一种下肢外骨骼助力装置，其包括左腿部助力装置和右腿部助力装置中的至少一种，所述左腿部助力装置和右腿部助力装置的结构相同；每一腿部助力装置均包括气动系统、脚部固定部、小腿连接部、脚腕固定部、小腿固定部、大腿固定部、大腿根固定部；其中，脚部固定部与小腿连接部进行固定连接，小腿连接部通过第一气动活塞与小腿固定部活动连接，小腿固定部部分向下延伸并连接脚腕固定部，小腿固定部通过第二气动活塞与大腿固定部活动连接，大腿固定部通过第三气动活塞和第四气动活塞与大腿根固定部活动连接。为了进一步优化上述装置，本专利技术所采取的技术措施还包括：进一步地，所述气动系统包括气源装置、气体控制器和气动活塞，所述气源装置为各气动活塞提供压缩空气，所述气体控制器包括关断电磁阀和流量控制阀，其用于控制压缩空气的进气量。进一步地，所述脚部固定部、脚腕固定部、小腿固定部、大腿固定部、大腿根固定部均为可扩展和紧缩的双层结构。进一步地，所述脚部固定部为可嵌入穿戴者鞋子底部的夹紧装置或者为可套设穿戴者鞋子整体的脚部穿戴装置；其中所述夹紧装置包括与小腿连接部固定连接的横向杆，在所述横向杆内对称设置可相对于所述横向杆移动且具有限位装置的内移动杆，所述每一内移动杆的端部设置与其连接的夹紧杆；优选地，所述横行杆与内移动杆的连接形式类似于拉杆箱的拉杆结构。进一步地，所述脚腕固定部、小腿固定部、大腿固定部、大腿根固定部均为与人体下肢的相应部位所匹配的环形套设装置，各所述环形套设装置均包括内环形套和外环形套，所述外环形套设置夹层，所述内环形套安装于所述夹层中并可沿着外环形套进行移动以改变各固定部的尺寸，该内环形套和外环形套之间设置限位装置。进一步地，所述第一气动活塞和第二气动活塞安装于小腿的背面侧，所述第三气动活塞和所述第四气动活塞安装于大腿的正面侧。进一步地，所述第一气动活塞的活塞端与所述小腿连接部进行铰接，所述第一气动活塞的固定端与所述小腿固定部进行固定连接；所述第二气动活塞的活塞端与所述大腿固定部的中部进行铰接，所述第二气动活塞的的固定端与所述小腿固定部进行固定连接；所述第三和第四气动活塞相对于所述大腿固定部进行对称布置，所述第三和第四气动活塞的活塞端均与所述大腿固定部的中部进行铰接，所述第三和第四气动活塞的固定端均与所述大腿根固定部进行固定连接。进一步地，所述小腿连接部为从脚腕侧向外突出的具有一定弧度和渐缩宽度的弧形体；所述弧形体的上部设置第一气动活塞安装部，在第一气动活塞安装部中设置一横向轴，所述第一气动活塞的活塞端设置铰接孔，所述铰接孔套设于所述横向轴上。进一步地，所述小腿固定部的外侧固定连接一环形套设圈，该环形套设圈也为可扩展和紧缩的双层结构，其分别与第一气动活塞和第二气动活塞固定连接。进一步地，所述大腿固定部与各气动活塞铰接的部位均设置向外突出的安装部，各安装部上均设置横向轴，各气动活塞的活塞端的铰接孔均各自套设在各横向轴上。进一步地，所述腿部助力装置还包括控制系统，所述控制系统包括至少1种传感器、数据采集装置和数据分析装置，所述数据分析装置用于将控制信号输出至气动系统。进一步地，所述传感器选自压力传感器、生物电信号传感器、肌电传感器、角度传感器、加速度传感器、地面传感器中的至少一种。进一步地，所述传感器为电位角度传感器、陀螺仪加速度传感器、EMG肌电传感器进一步地，所述脚腕固定部的外侧设置电位角度传感器，以用于检测踝关节的角度；所述大腿固定部的下部的外侧设置电位角度传感器，以用于检测膝关节的角度；所述大腿固定部的中上部的内侧设置紧贴大腿壁的加速度传感器和肌电传感器，所述小腿固定部的内侧设置紧贴小腿壁的加速度传感器和肌电传感器。进一步地，所述各传感器的数量至少为2个。进一步地，所述控制系统均安装在大腿根固定部的一侧面上，其中各所述传感器、数据采集装置、数据分析装置以及气动控制器依次进行电连接，电源连通至各用电装置；所述气源装置和气体控制器均安装在大腿根固定部的另一侧面上，所述气源装置通过软管与所述气体控制器连通；所述气体控制器包括并联设置的第一气体控制器和第二气体控制器，所述第一气体控制器和第二气体控制器通过软管各自连通至各气动活塞的无杆腔和有杆腔；其中，每一气体控制器的出口均设置4根支路软管，分别连接至第一气动活塞、第二气动活塞、第三气动活塞第四气动活塞，每一气体控制器均包括关断电磁阀和流量控制阀。或者，进一步地，所述大腿根固定部的上部设置一弹性带，其与腰部固定部进行连接，在腰部固定部上设置气源装置、气体控制器和控制系统。进一步地，在不包含控制系统的助力装置中，所述气动系统设置手动控制按钮。进一步地，所述气源装置为压缩空气储罐或者包括空气压缩机、压缩空气储罐及其附属设备。其中压缩空气储罐可通过外部设备进行压缩空气的补充。进一步地，所述助力装置采用的材料为坚韧、轻质且有弹性的复合材料。本专利技术的第二个目的是提供一种下肢外骨骼助力装置的控制方法，其包括：通过穿戴者的感知结果或者数据的采集处理结果控制气动系统，为气动活塞的无杆腔或有杆腔提供压缩空气，驱动各气动活塞进行动作，从而为穿戴者的行走或运动提供助力。进一步，所述控制方法采用数据的采集处理控制下肢外骨骼助力装置的方法包括以下步骤：步骤(1)通过安装在大腿处、小腿处的加速度传感器和肌电传感器以及安装在踝关节及膝关节处的电位角度传感器检测穿戴者的各部位的运动数据，并将该数据传送至数据采集装置；步骤(2)所述数据采集装置对采集的数据进行放大、滤波和归一化处理，并将处理后的处理传送至数据分析装置；步骤(3)所述数据分析装置对数据进行再处理和分析，如果数据处于基于大量数据的拟合函数的区间之外，则重新采集数据，重复步骤(1)-(3)；如果数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种下肢外骨骼助力装置，其特征在于，包括左腿部助力装置和右腿部助力装置中的至少一种，所述左腿部助力装置和右腿部助力装置的结构相同；每一腿部助力装置均包括气动系统、脚部固定部(1)、小腿连接部(2)、脚腕固定部(3)、小腿固定部(4)、大腿固定部(5)、大腿根固定部(6)；其中，脚部固定部(1)与小腿连接部(2)进行固定连接，小腿连接部(2)通过第一气动活塞(7)与小腿固定部(4)活动连接，小腿固定部(4)部分向下延伸并连接脚腕固定部(3)，小腿固定部(3)通过第二气动活塞(8)与大腿固定部(5)活动连接，大腿固定部(5)通过第三气动活塞(9)和第四气动活塞(10)与大腿根固定部(6)活动连接。

【技术特征摘要】
1.一种下肢外骨骼助力装置，其特征在于，包括左腿部助力装置和右腿部助力装置中的至少一种，所述左腿部助力装置和右腿部助力装置的结构相同；每一腿部助力装置均包括气动系统、脚部固定部(1)、小腿连接部(2)、脚腕固定部(3)、小腿固定部(4)、大腿固定部(5)、大腿根固定部(6)；其中，脚部固定部(1)与小腿连接部(2)进行固定连接，小腿连接部(2)通过第一气动活塞(7)与小腿固定部(4)活动连接，小腿固定部(4)部分向下延伸并连接脚腕固定部(3)，小腿固定部(3)通过第二气动活塞(8)与大腿固定部(5)活动连接，大腿固定部(5)通过第三气动活塞(9)和第四气动活塞(10)与大腿根固定部(6)活动连接。2.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼助力装置，其特征在于，所述气动系统包括依次连接的气源装置、气体控制器和气动活塞(7～10)，所述气源装置为各气动活塞(7～10)提供压缩空气，所述气体控制器包括关断电磁阀和流量控制阀，其用于控制压缩空气的进气量。3.根据权利要求2所述的一种下肢外骨骼助力装置，其特征在于，所述腿部助力装置还包括控制系统，所述控制系统包括至少1种传感器、数据采集装置和数据分析装置，所述数据分析装置用于将控制信号输出至所述气动系统。4.根据权利要求3所述的一种下肢外骨骼助力装置，其特征在于，所述脚腕固定部(3)的外侧设置电位角度传感器，以用于踝关节的角度检测；所述大腿固定部(5)的下部的外侧设置电位角度传感器，以用于膝关节的角度检测；所述大腿固定部(5)的中上部的内侧设置紧贴大腿壁的加速度传感器和肌电传感器；在所述小腿固定部(4)的内侧设置紧贴小腿壁的加速度传感器和肌电传感器。5.根据权利要求4所述的一种下肢外骨骼助力装置，其特征在于，所述第一气动活塞(7)的活塞端与所述小腿连接部(2)进行铰接，所述第一气动活塞(7)的固定端与所述小腿固定部(4)进行固定连接；所述第二气动活塞(8)的活塞端与所述大腿固定部(5)的中部进行铰接，所述第二气动活塞(8)的的固定端与所述小腿固定部(4)进行固定连接；所述第三和第四气动活塞(9、10)相对于所述大腿固定部(5)进行对称布置，所述第三和第四气动活塞(9、10)的活塞端均与所述大腿固定部(5)的中部进行铰接，所述第三和第四气动活塞(9、10)的固定端均与所述大腿根固定部(6)进行固定连接。6.根据权利要求2所述的一种下肢外骨骼助力装置，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：水逸阳，
申请(专利权)人：水逸阳，
类型：发明
国别省市：上海,31