一种主被动控制柔性膝关节外骨骼助力装置及其控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种主被动控制柔性膝关节外骨骼助力装置及其控制方法，本发明专利技术装置通过拉线进行主动驱动，能提供与人体肌肉肌腱平行的助力，更符合人体生物力学，同时可以实现较大的输出力矩，装置轻便的前提下可以满足膝关节驱动的需求。本发明专利技术可以将驱动控制箱重量移至人体腰部，降低肢体末端运动惯量。本发明专利技术添加被动支撑条，可以在上下楼梯过程中实现更好的助力与支撑。本发明专利技术的控制方法，首先根据人体行走的习惯规划出参考膝关节角度，运用基于阻抗控制的步态自适应调整方法对参考轨迹进行调整使步态更接近实际人体行走的步态，运动自抗扰控制方法对控制模型进行完善从而达到对自适应调整后的步态跟踪，实现通过电压控制电机的转速进而实现主动驱动的控制。电机的转速进而实现主动驱动的控制。电机的转速进而实现主动驱动的控制。

【技术实现步骤摘要】
一种主被动控制柔性膝关节外骨骼助力装置及其控制方法


[0001]本专利技术属于康复训练装置
，涉及一种主被动控制柔性膝关节外骨骼助力装置。

技术介绍

[0002]完成步行、上下楼梯等日常步态运动是每人体必须具备的能力。然而，由于年龄、疾病等因素，人体下肢会出现运动机能下降或功能性障碍，影响其日常活动。例如，对于重度中风或者脊柱损伤患者，由于下肢运动功能严重受损，无法自主完成各种动作。虽然通过康复训练能够恢复部分运动能力，但该人群在日常活动中仍需要一定的辅助。对于老年人，随着年龄的增加，下肢肌肉退化，无法进行长时间行走。研究表明，长期下肢运动困难可能导致久坐的生活习惯，会显著增加各种慢性疾病的患病风险。为了能使上述人群进行康复训练或者更方便地生活，不仅需要配备康复师和看护人员，而且该人群自身也会有心理挫败感，使得生活质量下降。随着全球人口老龄化进程的加快，膝关节外骨骼助力装置在老年人步行辅助、康复医疗领域的需求越来越急迫，预计会在运动康复、老年人看护等多个领域产生重要社会价值和经济价值。
[0003]在现有技术中，通常采用刚性结构结合电机、液压、气压等驱动方式对人体直接进行运动辅助，但笨重的设备穿戴体验感差，而且会增加穿戴者的负担。另外，目前市场上存在一些仅仅通过被动进行辅助的护膝，缺少主动的驱动护膝在助力方面不能满足上述人群的膝关节助力需求，存在一定的局限性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种主被动控制柔性膝关节外骨骼助力装置。本专利技术能够用于老年人、以及下肢运动障碍的患者进行正常步行、上下楼梯等运动过程的辅助。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种主被动控制柔性膝关节外骨骼助力装置，包括：
[0007]护具，所述护具穿戴在使用者的膝关节处；
[0008]被动支撑条，所述被动支撑条安装在护具的两侧，在穿戴护具时，被动支撑条位于使用者膝关节两侧；
[0009]主动助力驱动单元，所述主动助力驱动单元安装于护具的前侧与后侧，用于驱动护具动作进而带动使用者完成下肢伸展或屈曲运动。
[0010]第二方面，本专利技术提供一种主被动控制柔性膝关节外骨骼助力装置的控制方法，包括以下步骤：
[0011]步骤1，构建人体步态模型；
[0012]步骤2，基于阻抗关系对步态进行自适应调整，得到期望运动步态；
[0013]步骤3，采用自抗扰控制方法对期望运动步态进行跟踪控制。
[0014]第三方面，本专利技术提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。
[0015]第四方面，本专利技术提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。
[0016]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0017]本专利技术装置主体为柔性结构，重量轻，舒适性好。通过拉线进行主动驱动，能提供与人体肌肉肌腱平行的助力，更符合人体生物力学，同时可以实现较大的输出力矩，装置轻便的前提下可以满足膝关节驱动的需求。本专利技术可以将驱动控制箱重量移至人体腰部，降低肢体末端运动惯量。本专利技术添加被动支撑条，可以在上下楼梯过程中实现更好的助力与支撑。最后，本专利技术方案合理，结构简单，容易实现。
[0018]本专利技术的控制方法，首先根据人体行走的习惯规划出参考膝关节角度，运用基于阻抗控制的步态自适应调整方法对参考轨迹进行调整使步态更接近实际人体行走的步态，运动自抗扰控制方法对控制模型进行完善从而达到对自适应调整后的步态跟踪，实现通过电压控制电机的转速进而实现主动驱动的控制。
附图说明
[0019]为了更清楚的说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0020]图1是本专利技术外骨骼的结构示意图。
[0021]图2是本专利技术整体装置的结构示意图。
[0022]图3是本专利技术膝关节助行外骨骼控制方法总体设计框架示意图。
[0023]图4是本专利技术膝关节助行外骨骼简化模型。
[0024]图5是本专利技术膝关节助行外骨骼自抗扰控制算法设计原理图。
[0025]其中：1
‑
护具，2
‑
伸膝关节大腿处固定节点，3
‑
伸膝关节大腿处魔术贴，4
‑
伸膝关节驱动绳，5
‑
伸膝关节小腿处固定节点，6
‑
伸膝关节小腿处魔术贴，7
‑
被动支撑条，8
‑
屈膝关节小腿处固定节点，9
‑
屈膝关节小腿处魔术贴，10
‑
屈膝关节驱动绳，11
‑
屈膝关节大腿处固定节点，12
‑
屈膝关节大腿处魔术贴，13
‑
右腿屈膝驱动绳，14
‑
右腿伸膝驱动绳，15
‑
左腿屈膝关节驱动绳，16
‑
左腿伸膝关节驱动绳，17
‑
驱动控制箱，18
‑
膝关节小腿处陀螺仪，19
‑
膝关节大腿处陀螺仪。
具体实施方式
[0026]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本专利技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0027]因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护
的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0029]在本专利技术实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该专利技术产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，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专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0030]此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主被动控制柔性膝关节外骨骼助力装置，其特征在于，包括：护具(1)，所述护具(1)穿戴在使用者的膝关节处；被动支撑条(7)，所述被动支撑条(7)安装在护具(1)的两侧，在穿戴护具(1)时，被动支撑条(7)位于使用者膝关节两侧；主动助力驱动单元，所述主动助力驱动单元安装于护具(1)的前侧与后侧，用于驱动护具(1)动作进而带动使用者完成下肢伸展或屈曲运动。2.根据权利要求1所述的主被动控制柔性膝关节外骨骼助力装置，其特征在于，所述护具(1)为由纤维材料制成的一体式结构。3.根据权利要求1所述的主被动控制柔性膝关节外骨骼助力装置，其特征在于，所述被动支撑条(7)通过纤维材料缝在护具(1)上。4.根据权利要求1或3所述的主被动控制柔性膝关节外骨骼助力装置，其特征在于，所述被动支撑条(7)上安装于有用于测量分析人体下肢运动意图的第一陀螺仪(18)和第二陀螺仪(19)，所述第二陀螺仪(19)位于第一陀螺仪(18)的上方。5.根据权利要求1所述的主被动控制柔性膝关节外骨骼助力装置，其特征在于，所述主动助力驱动单元包括驱动控制箱(17)，所述驱动控制箱(17)内设置有驱动电源、驱动控制板以及驱动电机；护具(1)的前侧设置有第一魔术贴(3)和第二魔术贴(6)。6.一种权利要求1
‑
5任一项所述装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构建人体步态模型；步骤2，基于阻抗关系对步态进行自适应调整，得到期望运动步态；步骤3，采用自抗扰控制方法对期望运动步态进行跟踪控制。7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1的具体方法如下：将膝关节助行外骨骼系统看作贴合人体的两根杆件；首先计算杆件质心的平均动能：首先计算杆件质心的平均动能：其中，T
1p
表示大腿杆质心的平均动能，m1表示大腿质量，v1表示大腿杆质心运动速度，l1表示人体大腿长度，θ1表示髋关节的角度，T
2p
表示大腿杆质心的平均动能，m2表示小腿质量，v2表示小腿杆质心运动速度，l2表示人体小腿长度，θ2表示膝关节的角度；各杆件绕自身的转动动能为：各杆件绕自身的转动动能为：其中，T
1r
表示大腿杆转动动能，J1表示大腿杆转动惯量，ω1表示大腿杆转动角速度，T
2r
表示小腿杆转动动能，J2表示小腿杆转动惯量，ω2表示大腿杆转动角速度；系统的总动能T为：

【专利技术属性】
技术研发人员：张进华，马鹏程，赵伊恒，成海炎，毛国新，洪军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：