CN109953872A - 一种用于人类走动辅助的外骨骼装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于人类走动辅助的外骨骼装置和方法，通过计算机3D避障和电机控制等技术，帮助下肢有残疾或残缺的人、或为年长的人或某些特定人群提供一种行走方法或方式，让这些人基本上或完全摆脱拐杖的束缚，或\和提高行走效率，或\和减低看护成本，或\和提供一种较新的行走方式，本发明特别是利用外骨骼装置和电机控制等技术，为高位截瘫的人提供了一种摆脱轮椅和\或拐杖行走的方法，能够帮助，本发明涉及可穿戴设备技术领域。
Description
技术领域
本申请涉及可穿戴设备技术领域，特别是涉及一种下肢外骨骼行走、助力装置和方法。
背景技术
本发明志在通过计算机3D避障和电机控制等技术，帮助腿部有残疾或残缺的人、或为年长的人或某些特定人群提供一种行走方法或方式，让这些人基本上或完全摆脱拐杖的束缚，或\和提高行走效率，或\和减低看护成本，或\和提供一种较新的行走方式，本发明特别是利用外骨骼装置和电机控制等技术，为高位截瘫的人提供了一种摆脱轮椅和\或拐杖行走的方法。
发明内容
本发明涉及一种下肢外骨骼行走、助力装置和方法，用来帮助完全或部分丧失行走能力的人实现行走，或者出于康复等原因需要提供下肢助力的情况。
根据本公开的一个方面，提供一种外骨骼装置用于支撑人的行走或助力的装置，其特征在于，包括：臀部承托装置，大腿外骨骼装置，小腿外骨骼装置，脚外骨骼装置，“臀部承托装置和大腿外骨骼连接的自由度装置”，“ 大腿外骨骼和小腿外骨骼连接的自由度装置”，“小腿外骨骼和脚外骨骼连接的自由度装置”，若干结构光传感器，行走控制信息收集装置，控制器，若干摄像头（可选），测距传感器（可选）。
优选地，臀部承托装置主要是固定臀部或\和腰部，起承托人体和承重作用，并部署有计算机、电池等设备，如果在某些实施方案中计算机、电池、电机的重量较重或较大，也可以将计算机或\和电池放置在增设的背包中，让用户背上，以达到分散重量或\和方便舒适的目的。
优选地，臀部承托装置可以分成左右两部分，左右两部分可以分别穿戴，穿戴后可以固定在一起。
优选地，大腿外骨骼装置用以固定大腿，或代替大腿对身体的支撑及重心调节作用。
优选地，大腿外骨骼上下分别与两套自由度相连，分别是上连接“臀部承托装置和大腿外骨骼连接的自由度装置”和下连接“大腿外骨骼和小腿外骨骼连接的自由度装置”。
优选地，小腿外骨骼装置用以固定小腿，或代替小腿对身体的支撑及重心调节作用。
优选地，小腿外骨骼上下分别与两套自由度相连，分别是上连接“大腿外骨骼和小腿外骨骼连接的自由度装置”和下连接“小腿外骨骼和脚外骨骼连接的自由度装置”。
优选地，脚外骨骼装置用以固定脚，或代替脚对身体的支撑及调节作用，并主要用于接触地面。
优选地，脚外骨骼装置上连接“小腿外骨骼和脚外骨骼连接的自由度装置”。
优选地，脚外骨骼装置可能需要比人实际的脚型大一些，或同时增加脚后跟的长度来满足在特定姿势下保持平衡或实现更稳定的站立姿势，或在实现站立姿势的转换过程中一定程度上减少人可能需要的外力。
优选地，“臀部承托装置和大腿外骨骼连接的自由度装置”、“ 大腿外骨骼和小腿外骨骼连接的自由度装置”、“ 小腿外骨骼和脚外骨骼连接的自由度装置”都可以包含一种或一种以上自由度。
可选地，可以通过限定传动带或齿轮转速的方法来尽力限定自由度的最大转动速度，以保证在极端情况下对穿戴者有保护作用。
优选地，大腿外骨骼装置、小腿外骨骼装置、脚外骨骼装置和相关自由度装置均可以调整长度，以适应不同情况或\和达到舒适的目的，可具备记忆功能或局部固定装置来防止每次使用时重复调整。
优选地，实际穿戴腿外骨骼完成时，可以在用户确认之后，根据是否有腿外骨骼或脚外骨骼的部件，以及预设置的参数来调整自由度的最大转角，来保证舒适和最大程度发挥每个自由度的可用角度。
可选地，本装置在实际部署的时候，可以只部署单侧装备，也可以同时部署两侧的装备，计算机在计算控制信息时需要根据当前部署情况来综合考虑，包括但不限于，当只部署单侧装备时，要输入没有部署的脚和腿的各种参数或按照使用者没装备本发明的那侧脚和腿的情况从数据库中选出预设组信息，以决定部署的外骨骼的相关参数和节奏等。
优选地，大腿外骨骼和小腿外骨骼可以增加一些装饰以看上去更像是大腿或小腿。
优选地，大腿外骨骼或\和小腿外骨骼覆盖的装饰物内可以增加散热装置来降低温度。
优选地，大腿外骨骼或\和小腿外骨骼覆盖的装饰物内可以增加电热装置来增加或保持温度。
优选地，脚外骨骼可以增加一些装饰以看上去更像是鞋。
优选地，脚外骨骼等部件可以增加防水装置。
优选地，所述大腿外骨骼装置，小腿外骨骼装置，脚外骨骼装置，“臀部承托装置和大腿外骨骼连接的自由度装置”，“大腿外骨骼和小腿外骨骼连接的自由度装置”，“小腿外骨骼和脚外骨骼连接的自由度装置”，都可分左侧、右侧两部分，原则上左右对称。
优选地，动力源或\和传动方式可选择包括但不限于电机、液压、电液混合方式，必要时可在大腿外骨骼装置，小腿外骨骼装置，脚外骨骼装置，“臀部承托装置和大腿外骨骼连接的自由度装置”，“大腿外骨骼和小腿外骨骼连接的自由度装置”，“小腿外骨骼和脚外骨骼连接的自由度装置”中的必要处分别搭载相关动力源或\和传动装置。
优选地，若干结构光传感器是用来获取身边环境的深度信息的装置，能够将深度信息发送给计算机来决定哪里落脚，或\和提供深度相关信息来指导、控制各装置配合以达到行走等目的。
优选地，结构光传感器优先布置在腿上、腰上、脚上。
优选地，行走控制信息收集装置主要是有几个连接在计算机上的陀螺仪组成，陀螺仪将主要收集两个肩膀和腰部的运动等信息，人体双肩同时前倾时会被识别成向前运动，双肩左倾或右倾时会被识别成向左变道或向右变道，双肩做左转或右转动作时会被识别成向左转和向右转。
进一步地，所述前倾或向前的判定标准主要是双肩陀螺仪相对于腰部陀螺仪的度数来做出的判断，也可以在某阶段对多陀螺仪校正得到基准陀螺仪参照选项以达到特定目的，例如在船上摇晃时向前走等情况。
可选地，必要时可以对使用人员进行培训来使其更熟练掌握行走控制信息收集装置及其他装置的控制、操作方法。
优选地，可以根据使用人员的情况来决定行走控制信息收集装置识别各种动作的敏感度和\或响应参数等信息。
优选地，控制器是用来控制计算机计算出来的姿势通过相关自由度配合表达出来的装置，必要时可对每套自由度增加关节力反馈传感器以达到更好的体验。
可选地，控制器可以增加一个控制面板或控制手柄之类能够有按键操作的设备，以完成手动从一种模式或姿势切换到另一种模式或姿势的操作指令发送器。
可选地，控制器可以包含一种锁的模式，解锁之后才能操作进行模式之间的转换，通过这种锁的模式，可以至少一定程度上减少误触而进行的错误姿势或模式的转换。
可选地，控制器操作面板可以增加一个盖子，以起到防水溅和减少误触的可能等作用。
优选地，控制器可以通过手机或电脑连接来辅助进行参数或数值的设置。
可选地，控制器的功能也可以通过手机连接的应用来完成，或者在某些实施方案中也可以通过语音来操作控制器面板的功能。
优选地，若干摄像头（可选）用以在行走时调整路径细节或者为紧急避让提供辅助信息，或为处理紧急情况提供辅助信息等。
可选地，在某些实施方式中，可以根据需求基于摄像头来增加主动避让或计算机强制刹停等功能。
优选地，在某些实施方式中，测距传感器用以在行走时调整路径细节或者为紧急避让提供辅助信息，或为处理紧急情况或\和强制刹停提供辅助信息。
优选地，刹停时会尽力保持使用者的重心，以免摔倒。
根据本公开的一个方面，提供一种外骨骼装置用于支撑人的行走或助力的方法，其特征在于，包括：穿戴完毕之后的初始测试模式，站立模式，行走模式，坐下模式，蹲下模式，爬行模式，脱下模式。
穿戴完毕之后的初始测试模式就是穿戴完毕之后启动计算机初始对关节和固定效果进行校验和测试的模式，此阶段会低速活动各个关节自由度，尽力达到期望或\和设定的自由度最大角度，人可以根据自由度活动的效果来决定是否需要调整各个外骨骼的固定和佩戴等情况。
站立模式是从当前的姿势（无论是穿戴完毕的姿势还是坐下姿势或者蹲下姿势等）转换到站立姿势并保持的模式，本发明装置中的计算机会根据各自由度的当前角度和站立姿势时的各自由度的期望角度来决定各自由度的转角以及转动先后次序和配合等情况，来完成到站立姿势的动作的规划和执行。
行走模式是主要的移动模式，此时主要通过行走控制信息收集装置来辅助计算机操作行走的方向和至少一定程度上决定行走时具体的脚和腿的动作。
优选地，落脚时计算机会根据结构光传感器的深度信息来决定落脚的具体动作，并在脚外骨骼装置接触到落脚点的过程中，根据各外骨骼的姿态、力反馈、陀螺仪信息来决定调节各个自由度的角度、角速度、力度等。
优选地，行走时计算机会优先通过缩短落脚点的步长的方法来避开路面的凸起处。
优选地，行走时如果无法避免将脚外骨骼落在凸起处时，会根据自身各自由度的信息和角度范围来尽量计算较平稳的姿势或姿态，以达到最佳的体验和感受。
优选地，计算机在控制各自由度行走的时候，会根据事先准备或预设的参数来决定每个自由度转动的速度和最大角度，以尽最大可能为用户提供较舒适体验。
优选地，行走速度或\和强度可调节，以便更大程度上满足各种需求情况的舒适行或\和平稳性。
优选地，行走控制信息收集装置主要是通过各陀螺仪信息来给计算机提供行走方向或\和速度的主要参数依据，可以通过手机、控制器或电脑连接来设置行走控制信息收集装置的敏感度等参数。
坐下模式通常是从站立姿势切换到坐下姿势的一种模式，坐下具体的姿态等信息可以在控制器调节或设定，可以带有一些健康相关的检测和提示，例如坐久了会以某种形式提示用户改变姿势等。
蹲下模式是切换到蹲下姿势，并且能够保持一定平衡的一种模式，可以带有一些健康相关的检测和提示，例如蹲久了会以某种形式提示用户改变姿势。
爬行模式是以爬行姿势为基础的一种可运动模式，具体运动方向主要是通过控制器控制，并能够通过控制器来最终切换到其他模式。
优选地，各自由度会根据力反馈来调整实施情况，以便在遇到阻挡或较强外力的时候避免出现较大碰撞或事故。
脱下模式是为了方便脱下专门准备的一种模式，以方便脱下并保证较安全。
可选地，可以为特定人群或功能提供较丰富的穿戴模式，以方便本发明中装置穿戴或达到穿戴阶段需要达到的某目的。
优选地，站立模式和行走模式下会尽力保证不会摔倒，即便是在较强外力的干扰下，保持较平衡主要是通过自身携带的计算机通过陀螺仪、传感器、动力源、传动设备、电控阻尼等装置来配合完成的。
优选地，必要时可以对噪音大的部件通过包裹、装饰隔音材料的方法来降低噪音。
可选地，本发明装置有较方便、较快速的充电接口和方式，以及较方便的电池拆卸方案和实施方法。
可选地，某些实施方式中，可以对脚外骨骼增加磁铁或电磁铁等具备吸附能力的附件或外设来达到某些特定吸附功能，此种情况下可以通过手机或电脑来设置行走坐标轴和重力方向来满足此特殊情况下的移动目的，以辅助特种作业。
可选地，可以对自由度的实施力进行设置，来增加对人的保护。
可选地，行走模式时可增加对当前路线的有效性验证，在必要时可以刹停以及给出语音提示，并可在手机应用中通过确认后手动完成对当前刹停路线的强制开放。
可选地，可以对控制器增加一个或两个辅助手柄来方便更快速的操作。
以上是本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不应局限于此。任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此本发明的保护范围应以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种外骨骼装置，其特征在于，包括：臀部承托装置，大腿外骨骼装置，小腿外骨骼装置，脚外骨骼装置，“臀部承托装置和大腿外骨骼连接的自由度装置”，“大腿外骨骼和小腿外骨骼连接的自由度装置”，“小腿外骨骼和脚外骨骼连接的自由度装置”，结构光传感器，行走控制信息收集装置，控制器，摄像头（可选），测距传感器（可选）；
所述臀部承托装置通过绑带和\或腰带来连接人体，起主要的臀部和腰的固定作用，并且可以容纳计算机、电池、电机等设备；
作为一种可选的实施方式，所述臀部承托装置上可以增加一个背包，背包中可以容纳计算机、电池、电机等设备，以降低臀部承托装置的大小和重量，背包中设备可以与臀部承托装置连接；
作为一种可选的实施方式，所述臀部承托装置可以分成左右两部分，这两部分分别连接了左腿和右腿的若干外骨骼装置，可以满足分别穿戴或安装左腿外骨骼和右腿外骨骼，并且臀部承托装置的左右两部分可以连接在一起和\或固定在一起；
所述大腿外骨骼装置是主要用来承托或\和固定大腿的装置，可定制长度或可以调节长度以合适使用者的大腿长度，可以通过包括但不限于环抱包围的形式或绑带的形式固定大腿；
作为一种可选的实施方式，所述大腿外骨骼装置可以根据特定用户来定制，例如针对完全失去大腿的用户可以使用封闭的大腿外骨骼或省去安装\固定大腿的相关部件；
所述小腿外骨骼是主要用来承托或\和固定小腿的装置，可定制长度或可以调节长度以合适使用者的小腿长度，可以通过包括但不限于环抱包围的形式或绑带的形式固定小腿；
作为一种可选的实施方式，所述小腿外骨骼装置可以根据特定用户来定制，例如针对完全失去小腿的用户可以使用封闭的小腿外骨骼或省去安装\固定小腿的相关部件；
所述脚外骨骼装置是主要用来固定脚的装置，并且和地面接触，是保持平衡和摩擦力的主要来源获取装置，在特种作业中可通过电磁铁、磁铁来提供必要的外力；
作为一种可选的实施方式，所述脚外骨骼装置可以外面套一层看上去像是鞋的、带有装饰功能并且能够满足与地面或接触物摩擦的外设或套；
所述“臀部承托装置和大腿外骨骼连接的自由度装置”用于将臀部承托装置和大腿外骨骼连接在一起，并且能够提供一种或一种以上的自由度的装置；
所述“大腿外骨骼和小腿外骨骼连接的自由度装置”用于将大腿外骨骼和小腿外骨骼连接在一起，并且能够提供一种或一种以上的自由度的装置；
所述“小腿外骨骼和脚外骨骼连接的自由度装置”用于将小腿外骨骼和脚外骨骼连接在一起，并且能够提供一种或一种以上的自由度的装置；
所述若干结构光传感器用于收集周边的深度信息，以做为计算机计算和控制各自由度完成指定动作或目标的信息依据之一；
所述行走控制信息收集装置用于收集控制行走的方向和速度等数据，以做为计算机计算和控制行走方向和速度的主要信息依据；
所述控制器是在某种情况下，通过手来控制整套装置来执行或切换某特定动作或模式的控制装置，控制器会将控制信号发送给计算机，由计算机根据当前状态或\和模式来计算具体操作或动作；
所述摄像头（可选）是收集环境图像信息的装置；
所述测距传感器（可选）是收集周围物体距离信息的装置。
2.一种外骨骼行走方法或助力的模式库，其特征在于，包括：穿戴完毕之后的初始测试模式，站立模式，行走模式，坐下模式，蹲下模式，爬行模式，脱下模式；
穿戴完毕之后的初始测试模式用以检查装置的穿戴情况、关节的舒适度等情况，以便在实际使用前对固定位置或方法细节做调整的一种模式；
站立模式是以静止站立姿势为基础的模式，能够在较强外力干扰下仍能最终保持站立姿势的一种模式；
行走模式是通过行走控制信息收集装置来影响行走方向的一种模式；
坐下模式是一种以坐着的姿势为基础的模式；
蹲下模式是一种以蹲着的姿势为基础并能基本保持平衡的模式；
爬行模式是一种以趴着或躺着的姿势为基础的模式；
脱下模式是一种便于脱下的模式。
3.一种外骨骼行走或助力的方法，其特征在于，包括：
步骤一：将本发明外骨骼装置穿戴到身上，固定好，检查固定和连接情况；
步骤二：将本发明外骨骼装置穿戴到身上之后，启动计算机***运行逻辑，之后首先会通过慢速活动关节和\或自由度的方法，检查人体、装备和各关节的连接及固定情况；
步骤三：使用者可以操作控制器或手机应用进入直立状态，为准备走动做准备；
步骤四：切换到行走模式后，走动的过程中，计算机主要是通过行走控制信息收集装置的数据来决定行走的方向和大约的速度，并且主要是根据若干结构光传感器的深度数据来决定具体的落脚点以及落脚时的脚面角度等情况或数据；
步骤W1：计算机主要是通过行走控制信息收集装置的数据来指导行走的方向和大约的速度；
步骤W2：计算机主要是根据若干结构光传感器的深度数据中将要行走过的方向的路面信息以及行走速度来决定抬脚和迈脚的方向和高度等数据；
步骤W3：落脚时，计算机主要是根据若干结构光传感器的深度数据和陀螺仪数据、当前姿势等数据来决定脚面的角度，以完成较平稳的落地；
步骤五：当使用完成后，可以进入坐下模式或脱下模式以便脱下本发明装置。
4.一套存储在计算机可读写介质中的计算机移动控制***，当计算机根据行走控制信息和周边深度信息以及陀螺仪信息等信息来得到控制信号之后，会将控制信号发送给控制***，由控制***控制双脚的自由度来完成指定动作，以及用来计算出各个自由度的角度、强度等信息。
5.一种计算机可读写介质，其上存储有计算机程序和相关数据，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现本发明的相关计算功能和内容。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
一个或多个显卡（可选）；
存储装置，用于存储一个或多个程序。
7.若干结构光传感器，其特征在于，包括：
主要分布在腿和\或腰上和\或脚上，用来为计算机收集周围环境深度信息并在具体做动作时提供深度信息依据。
8.若干电机，其特征在于，包括：
能够在电的驱动下为自由度提供动力源。
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