CN112076070B - 柔性下肢外骨骼及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性下肢外骨骼，包括穿戴组件、弹性储能组件及离合装置。穿戴组件包括腰部穿戴件、膝关节穿戴件及鞋底穿戴件，弹性储能组件包括第一弹性储能元件及第二弹性储能元件，第一弹性储能元件的两端分别连接鞋底穿戴件及膝关节穿戴件，第二弹性储能元件的两端分别连接膝关节穿戴件及腰部穿戴件。离合装置包括第一离合装置及第二离合装置，第一离合装置可选择地锁定或松开第一弹性储能元件，第二离合装置可选择地锁定或者松开第二弹性储能元件。本发明还涉及一种柔性下肢外骨骼的控制方法。上述柔性下肢外骨骼及其控制方法，可以提升步态能量的利用效率，降低人体行走过程中的代谢能耗。

Description

柔性下肢外骨骼及其控制方法

技术领域

本发明涉及下肢康复技术领域，特别是涉及一种柔性下肢外骨骼及其控制方法。

背景技术

无动力下肢外骨骼以步态能量作为能量源，实现人体低代谢能耗、高自适应和持续稳定行走，可应用于康复医疗、运动训练及医疗设备等领域。传统的无动力下肢外骨骼包含的装置主要借助于跨越髋、踝关节的弹性连杆，吸收运动过程中的机械能，来为人体正常行走提供助力。

目前，国内外对于下肢外骨骼均有较多的研究。但是，这些无动力下肢外骨骼的主流是采用刚性弹性元件进行单关节助力，不能最大程度利用步态过程中的能量，步态能量的利用效率较低。

发明内容

基于此，本发明提供一种柔性下肢外骨骼及其控制方法，以提升步态能量的利用效率，降低人体行走过程中的代谢能耗。

一种柔性下肢外骨骼，包括：

穿戴组件，包括腰部穿戴件、膝关节穿戴件及鞋底穿戴件，所述腰部穿戴件用于穿戴于腰部，所述膝关节穿戴件用于穿戴于膝关节上，所述鞋底穿戴件用于穿戴于脚底；

弹性储能组件，包括第一弹性储能元件及第二弹性储能元件，所述第一弹性储能元件的两端分别连接所述鞋底穿戴件及所述膝关节穿戴件，所述第二弹性储能元件的两端分别连接所述膝关节穿戴件及所述腰部穿戴件；及

离合装置，包括第一离合装置及第二离合装置，所述第一离合装置安装于所述膝关节穿戴件上，所述第一离合装置可选择地锁定或松开所述第一弹性储能元件，所述第二离合装置安装于所述腰部穿戴件上，所述第二离合装置可选择地锁定或者松开所述第二弹性储能元件。

在其中一个实施例中，所述第一弹性储能元件和所述第二弹性储能元件上均设有倒刺，所述第一离合装置和所述第二离合装置均包括摆杆及摆动组件，所述摆动组件安装于对应的穿戴件上，所述摆动组件与所述摆杆连接以驱动所述摆杆摆动，以使所述摆杆与所述倒刺啮合或者分离。

在其中一个实施例中，所述摆动组件包括安装架、动力源、传动带及齿轮，所述动力源安装于所述安装架上，所述齿轮可转动地设置于所述穿戴件上，所述动力源通过所述传动带驱动所述齿轮往复旋转，所述摆杆与所述齿轮连接。

在其中一个实施例中，所述传动带包括钢丝绳及齿轮带，所述钢丝绳的一端与所述动力源的输出端连接，所述钢丝纲的另一端与所述安装架滑动连接，所述齿轮带连接在所述钢丝绳之间，所述齿轮带与所述齿轮相啮合，所述动力源驱动所述钢丝绳往复移动，使所述齿轮带带动所述齿轮往复旋转。

在其中一个实施例中，所述安装架上设有挡板，所述挡板能够与所述摆杆抵接，以保持所述摆杆与所述倒刺的啮合。

在其中一个实施例中，所述膝关节穿戴件上设有第一调节机构，所述第一调节机构用于调节所述第一弹性储能元件的起始长度；和/或

所述腰部穿戴件上设有第二调节机构，所述第二调节机构用于调节所述第二弹性储能元件的起始长度。

在其中一个实施例中，还包括信息采集模块，所述信息采集模块包括压力传感器、关节角度传感器和肌电传感器，所述压力传感器布置于所述鞋底穿戴件内，所述关节角度传感器用于设置于下肢关节处，所述肌电传感器用于安装于下肢肌肉上。

在其中一个实施例中，所述信息采集模块还包括第一拉力传感器和第二拉力传感器，所述第一拉力传感器安装于所述第一弹性储能元件与所述膝关节穿戴件的连接处，所述第二拉力传感器安装于所述第二弹性储能元件与所述腰部穿戴件的连接处。

一种如上述任意一项所述的柔性下肢外骨骼的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

判定足跟是否着地，若足跟着地，则第一离合装置将第一弹性储能元件锁定，所述第一弹性储能元件被拉伸，存储步态能量；

判断足跟是否离地，若足跟离地，则所述第一离合装置将所述第一弹性储能元件松开，所述第一弹性储能元件回缩，释放步态能量进行肌力补偿；

判断足撑或足尖是否着地，若足撑或足尖着地，则第二离合装置将第二弹性储能元件锁定，第二弹性储能元件被拉伸，存储步态能量；

判断足尖是否离地，若足尖离地，则所述第二离合装置将所述第二弹性储能元件松开，所述第二弹性储能元件回缩，释放步态能量进行肌力补偿。

在其中一个实施例中，所述控制方法还包括以下步骤：

获取所述第一弹性储能元件和所述第二弹性储能元件的拉伸力和伸长量，计算出所述第一弹性储能元件和所述第二弹性储能元件产生的功，并进一步计算获得存储步态能量的效率。

上述柔性下肢外骨骼及其控制方法，借助弹性储能元件储存步态能量，采用离合装置在恰当的时刻进行释放能量，并协助肌肉沿肌力补偿路径进行助力，以提升步态能量的利用效率，降低人体行走过程中的代谢能耗。同时，第一弹性储能元件储存的能量用于助力踝关节，第二弹性储能元件储存的能量用于助力髋关节，能够同时助力下肢的两个关节，可以提高步态能量的利用效率。

附图说明

图1为本发明的柔性下肢外骨骼穿戴于人体上的示意图；

图2为一实施方式中离合器锁定第一弹性储能元件的示意图；

图3为图2所示的离合器松开第一弹性储能元件的示意图；

图4为图2中离合器的结构示意图；

图5为一实施方式中柔性下肢外骨骼的控制方法的流程图；

图6为人体运动行走过程中弹性能量存储与弹性能量释放的示意图。

附图中各标号的含义为：

12-腰部穿戴件；14-膝关节穿戴件；16-鞋底穿戴件；22-第一弹性储能元件；24-第二弹性储能元件；26-倒刺；30-离合器；32-摆杆；34-摆动组件；341-安装架；342-动力源；343-传动带；343a-钢丝绳；343b-齿轮带；344-齿轮；345-挡板。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，其为本发明的一种实施例的柔性下肢外骨骼，包括穿戴组件、弹性储能组件及离合装置。其中，穿戴组件用于穿戴于用户身体上，弹性储能组件用于存储步态能量，离合装置在适当的时刻释放能量，并协助肌肉沿肌力补偿路径进行助力，以提升步态能量的利用效率，降低人体行走过程中的代谢能耗。

具体地，穿戴组件包括腰部穿戴件12、膝关节穿戴件14及鞋底穿戴件16。其中，腰部穿戴件12用于穿戴于腰部上，膝关节穿戴件14用于穿戴于膝关节上，鞋底穿戴件16用于穿戴于鞋底。具体地，腰部穿戴件12可以腰部环套，膝关节穿戴件14可以为膝关节护套。腰部环套和膝关节护套应采用柔软材料制成，如柔软的塑料，以保证用户的舒适度。鞋底穿戴件16类似于传统的鞋类结构，便于用户的行走。

弹性储能组件包括第一弹性储能元件22及第二弹性储能元件24，第一弹性储能元件22布置于小腿的后侧，第一弹性储能元件22的两端分别连接鞋底穿戴件16及膝关节穿戴件14。第二弹性储能元件24布置于大腿的前侧，第二弹性储能元件24的两端分别连接膝关节穿戴件14及腰部穿戴件12。

第一弹性储能元件22和第二弹性储能元件24均沿肌力补偿路径布置。其中，借助包络直线路径法(即采用通过肌肉起止点的直线来描述肌肉)、设置代止点的折线路径法(在直线包络直线路径法模型基础上增加了一些约束)及设置障碍物的曲线路径法(它是基于肌肉力的传递通过肌肉截面质心、肌肉缠绕于规则几何体表面等假设,该方法考虑了人体的形态学特征)，结合肌肉的结构特性及生理特性，制定肌力补偿路径，并根据步态分析，修正肌力补偿路径。

一实施方式中，第一弹性储能元件22的数量为三个，三个第一弹性储能元件22于小腿后侧相互交叉，三个第一弹性储能元件22协助胫骨前肌、腓肠肌及比目鱼等肌肉对踝关节做功。第二弹性储能元件24的数量也为三个，三个第二弹性储能元件24于大腿前侧相互交叉，三个第二弹性储能元件24协助股外侧肌、股内侧肌力及股直肌等肌肉对髋关节做功。第一弹性储能元件22和第二弹性储能元件24可以为弹性带，或者弹簧等能够弹性变形的结构。

离合装置包括第一离合装置及第二离合装置，第一离合装置安装于膝关节穿戴件14上，第一离合装置可选择地锁定或者松开第一弹性储能元件22。第二离合装置安装于腰部穿戴件12上，第二离合装置可选择地锁定或者松开第二弹性储能元件24。

当足跟着地至足跟离地阶段，第一离合装置锁定第一弹性储能元件22。此时由于重力势能的作用下，人体前倾，第一弹性储能元件22沿着肌力补偿路径被拉伸，进行存储步态能量。

当足跟离地至足尖离地阶段，第一离合装置松开第一弹性储能元件22，第一弹性储能元件22沿着肌力补偿路径回缩，协助胫骨前肌和腓肠肌驱动人体的重心向上、向前运动。

当足撑着地至足尖离地阶段，第二离合装置锁定第二弹性储能元件24，此时由于重力势能的作用下，人体前倾，第二弹性储能沿着肌力补偿路径被拉伸，进行存储步态能量。

当足尖离地至对侧足掌着地阶段，第二离合装置松开第二弹性储能元件24，第二弹性储能元件24沿着肌力补偿路径回缩，带动膝关节穿戴件14，协助髂肌及股直肌、缝匠肌、耻骨肌、臀中肌前部及阔筋膜张肌等驱动大腿进行摆动。

请一并参阅图2至图4,，一实施方式中，第一弹性储能元件22和第二弹性储能元件24上均设有倒刺26，第一离合装置和第二离合装置采用相同的离合器30，离合器30包括摆杆32及摆动组件34。摆动组件34安装于对应的穿戴件上，即是第一离合装置的摆动组件34安装于膝关节穿戴件14上，第二离合装置的摆动组件34安装于腰部穿戴件12上。摆动组件34与摆杆32连接，摆动组件34驱动摆杆32摆动，以使摆杆32与倒刺26啮合或者分离，实现锁定或者松开第一弹性储能元件22和第二弹性储能元件24。

具体地，摆动组件34包括安装架341、动力源342、传动带343及齿轮344。安装架341安装于对应的穿戴件上，具体而言，第一离合装置的安装架341安装于膝关节穿戴件14上，第二离合装置的安装架341安装于腰部穿戴件12上。动力源342安装于安装架341上，齿轮344可转动地设置于穿戴件上，动力源342通过传动带343驱动齿轮344往复旋转。摆杆32与齿轮344连接，齿轮344的往复旋转可以带动摆杆32摆动。

进一步地，传动带343包括钢丝绳343a及齿轮带343b，钢丝绳343a的一端与动力源342的输出端连接，钢丝绳343a的另一端与安装架341滑动连接，齿轮带343b连接在两段钢丝绳343a之间。齿轮带343b与齿轮344相啮合，钢丝绳343a具有一定的刚度和柔软相，动力源342驱动钢丝绳343a上下往复移动，使齿轮带343b带动齿轮344往复旋转。具体地，动力源342为能够伸缩的微电机。可以理解的是，在其他实施方式中，动力源342可以为其他结构，只要能够驱动钢丝绳343a上下往复移动即可。

一实施方式中，安装架341上设有挡板345，挡板345位于安装架341远离齿轮344的一侧，挡板345能够与摆杆32相抵接，以保持摆杆32与倒刺26的啮合，保证离合装置锁定第一弹性储能元件22和第二弹性储能元件24。

可以理解的是，在其他实施方式中，离合装置可以为其他结构，只要能够锁定或者松开第一弹性储能元件22和第二弹性储能元件24即可。对于摆动组件34，也可以为其他结构，例如摆动组件34为能够往复旋转的电机机构，只要能够驱动摆杆32往复摆动即可。

一实施方式中，膝关节穿戴件14上设有第一调节机构，第一调节机构根据下肢小腿、步长和步宽等因素，调节第一弹性储能元件22的起始长度。腰部穿戴件12上设有第二调节机构，第二调节机构根据下肢大腿、腰宽、步长和步宽等因素，调节第二弹性储能元件24的起始长度。具体地，第一调节机构和第二调节机构通过绳扣、魔术贴或者带扣等方式调节第一弹性储能元件22和第二弹性储能元件24的长度。

一实施方式中，柔性下肢外骨骼还包括信息采集模块，信息采集模块可以采集步态特征信息，根据采集的步态特征信息，可以采用神经网络、支持向量机或蚁群等识别算法，判断所处的步态过程，以控制下肢外骨骼工作。具体地，信息采集模块包括压力传感器、关节角度传感器和肌电传感器。

压力传感器布置于鞋底穿戴件16内，压力传感器在鞋底穿戴件16内布置有多个，多个压力传感器分别用于感知足跟、足撑和足尖是否着地。关节角度传感器设置于下肢关节处，即踝关节和髋关节处均布置关节角度传感器，用于获得下肢的关节角度。肌肉传感器用于安装于下肢主要活动的肌肉上，如胫骨前肌、腓肠肌、比目鱼肌、股四头肌和股二头肌等，用于获得肌肉的肌电信号。

进一步地，信息采集模块还包括第一拉力传感器和第二拉力传感器，第一拉力传感器安装于第一弹性储能元件22与膝关节穿戴件14的连接处，第二拉力传感器安装于第二弹性储能元件24与腰部穿戴件12的连接处。其中，第一拉力传感器实时监测第一弹性储能元件22的拉伸力和伸长量，第二拉力传感器实时监测第二弹性储能元件24的拉伸力和伸长量，以此计算出弹性储能组件产生的功。

请参阅图5，本发明还提供一种柔性下肢外骨骼的控制方法。为实现该控制方法，其采用上述柔性下肢外骨骼。该控制方法具体包括如下步骤：

步骤S110：判断足跟是否着地，若足跟着地，则第一离合装置将第一弹性储能元件22锁定，第一弹性储能元件22被拉伸，存储步态能量。

请一并参阅图6，具体地，信息采集模块采集鞋底压力信号、关节角度信号和肌肉肌电信号，信号通过放大和滤波等处理后，采用神经网络、支持向量机或蚁群等识别算法，判断所处的步态过程，综合判断足跟是否着地。当足跟着地后，具体指足跟着地至足跟离地阶段，使摆杆32与第一弹性储能元件22的倒刺26啮合，第一弹性储能元件22被锁定，此时由于重力势能的作用下，人体前倾，第一弹性储能元件22沿着肌力补偿路径被拉伸，进行存储步态能量。

步骤S120：判断足跟是否离地，若足跟离地，则第一离合装置将第一弹性储能元件22松开，第一弹性储能元件22回缩，释放步态能量进行肌力补偿。

具体地，根据信息采集模块采集的步态特征信息，综合判断足跟是否离地，具体指足跟离地至足尖离地阶段。当足跟离地后，摆杆32与第一弹性储能元件22的倒刺26脱离啮合，第一弹性储能元件22沿着肌力补偿路基回缩，带动鞋底，协助胫骨前肌、腓肠肌驱动人体的重心向上、向前运动。

步骤S130：判断足撑或足尖是否着地，若足撑或足尖着地，则第二离合装置将第二弹性储能元件24锁定，第二弹性储能元件24被拉伸，存储步态能量。

具体地，根据信息采集模块采集的步态特征信息，综合判断足撑或足尖是否着地，具体指足掌着地至足尖离地阶段，第二离合装置的摆杆32与第二弹性储能元件24的倒刺26相啮合，第二弹性储能元件24被锁定，此时由于重力势能的作用下，人体前倾，第二弹性储能元件24沿着肌力补偿路径被拉伸，进行存储步态能量。

步骤S140：判断足尖是否离地，若足尖离地，则第二离合装置将第二弹性储能元件24松开，第二弹性储能元件24回缩，释放步态能量进行肌力补偿。

具体地，根据信息采集模块采集的步态特征信息，综合判断足尖是否离地，具体指足尖离地至对侧足掌着地阶段，此时第二离合装置的摆杆32与第二弹性储能元件24的倒刺26脱离啮合，第二弹性储能元件24沿着肌力补偿路径回缩，带动膝关节穿戴件14，协助髂肌及股直肌、缝匠肌、耻骨肌、臀中肌前部及阔筋膜张肌等驱动大腿进行摆动。

一实施方式中，该控制方法还包括以下步骤：获取第一弹性储能元件22和第二弹性储能元件24的拉伸力和伸长量，计算出第一弹性储能元件22和第二弹性储能元件24产生的功，并进一步计算步态能量存储的效率。具体地，通过第一拉力传感器获得第一弹性储能元件22的拉伸力和伸长量，通过第二拉力传感器获得第二弹性储能元件24的拉伸力和伸长量，由此可以计算出弹性储能组件所做的功Wt，进一步获得其存储步态能量的效率

式中W_j为关节动能。另外，弹性储能元件沿肌力补偿路径的能量释放效率

W_out为弹性储能元件收缩释放弹性势能做的功。可以根据存储步态能量的效率和能量释放效率，进一步优化设计弹性储能元件、肌力协同补偿路径及离合装置等元件。

上述柔性下肢外骨骼及其控制方法，结构简单，质量轻，运动可靠，具有模块化设计功能，可以拆卸、组合安装于下肢上，离合方式设计灵巧，能够高效利用步态能量，利用肌力协同机制，提升步态能量利用效率，降低人体行走过程中的代谢能耗。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种柔性下肢外骨骼，其特征在于，包括：

穿戴组件，包括腰部穿戴件、膝关节穿戴件及鞋底穿戴件，所述腰部穿戴件用于穿戴于腰部，所述膝关节穿戴件用于穿戴于膝关节上，所述鞋底穿戴件用于穿戴于脚底；

弹性储能组件，包括第一弹性储能元件及第二弹性储能元件，所述第一弹性储能元件的两端分别连接所述鞋底穿戴件及所述膝关节穿戴件，所述第二弹性储能元件的两端分别连接所述膝关节穿戴件及所述腰部穿戴件；及

离合装置，包括第一离合装置及第二离合装置，所述第一离合装置安装于所述膝关节穿戴件上，所述第一离合装置可选择地锁定或松开所述第一弹性储能元件，所述第二离合装置安装于所述腰部穿戴件上，所述第二离合装置可选择地锁定或者松开所述第二弹性储能元件；

所述第一弹性储能元件和所述第二弹性储能元件上均设有倒刺，所述第一离合装置和所述第二离合装置均包括摆杆及摆动组件，所述摆动组件安装于所述膝关节穿戴件和所述腰部穿戴件上，所述摆动组件与所述摆杆连接以驱动所述摆杆摆动，以使所述摆杆与所述倒刺啮合或者分离；

所述柔性下肢外骨骼的控制方法包括以下步骤：

判定足跟是否着地，若足跟着地，则第一离合装置将第一弹性储能元件锁定，所述第一弹性储能元件被拉伸，存储步态能量；

判断足跟是否离地，若足跟离地，则所述第一离合装置将所述第一弹性储能元件松开，所述第一弹性储能元件回缩，释放步态能量进行肌力补偿；

判断足撑或足尖是否着地，若足撑或足尖着地，则第二离合装置将第二弹性储能元件锁定，第二弹性储能元件被拉伸，存储步态能量；

判断足尖是否离地，若足尖离地，则所述第二离合装置将所述第二弹性储能元件松开，所述第二弹性储能元件回缩，释放步态能量进行肌力补偿。

2.根据权利要求1所述的柔性下肢外骨骼，其特征在于，所述摆动组件包括安装架、动力源、传动带及齿轮，所述动力源安装于所述安装架上，所述齿轮转动地设置于所述膝关节穿戴件和所述腰部穿戴件上，所述动力源通过所述传动带驱动所述齿轮往复旋转，所述摆杆与所述齿轮连接。

3.根据权利要求2所述的柔性下肢外骨骼，其特征在于，所述传动带包括钢丝绳及齿轮带，钢丝绳包括两段，一段钢丝绳的一端与所述动力源的输出端连接，另一段钢丝绳的一端与所述安装架滑动连接，所述齿轮带连接在两段钢丝绳之间，所述齿轮带与所述齿轮相啮合，所述动力源驱动所述钢丝绳往复移动，使所述齿轮带带动所述齿轮往复旋转。

4.根据权利要求2所述的柔性下肢外骨骼，其特征在于，所述安装架上设有挡板，所述挡板能够与所述摆杆抵接，以保持所述摆杆与所述倒刺的啮合。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的柔性下肢外骨骼，其特征在于，所述膝关节穿戴件上设有第一调节机构，所述第一调节机构用于调节所述第一弹性储能元件的起始长度；和/或

所述腰部穿戴件上设有第二调节机构，所述第二调节机构用于调节所述第二弹性储能元件的起始长度。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的柔性下肢外骨骼，其特征在于，还包括信息采集模块，所述信息采集模块包括压力传感器、关节角度传感器和肌电传感器，所述压力传感器布置于所述鞋底穿戴件内，所述关节角度传感器用于设置于下肢关节处，所述肌电传感器用于安装于下肢肌肉上。

7.根据权利要求6所述的柔性下肢外骨骼，其特征在于，所述信息采集模块还包括第一拉力传感器和第二拉力传感器，所述第一拉力传感器安装于所述第一弹性储能元件与所述膝关节穿戴件的连接处，所述第二拉力传感器安装于所述第二弹性储能元件与所述腰部穿戴件的连接处。

8.根据权利要求7所述的柔性下肢外骨骼，其特征在于，所述控制方法还包括以下步骤：

获取所述第一弹性储能元件和所述第二弹性储能元件的拉伸力和伸长量，计算出所述第一弹性储能元件和所述第二弹性储能元件产生的功，并进一步计算获得存储步态能量的效率。

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