CN113797064B - 一种步行辅助装置及装置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种步行辅助装置及装置控制方法，包括腰背框架、髋关节部件、大腿板、驱动电路及传感***，其中，所述腰背框架包含背部支撑结构和与所述背部支撑结构传动联接的腰部连接杆，所述腰部连接杆从穿戴者后腰延伸至两侧髋部，并与所述髋关节部件固联；所述髋关节部件包括动力组件和基座，所述动力组件设置于所述基座上，所述基座与所述腰背框架固联，所述动力组件带有输出端，所述输出端与所述大腿板通过冠状面方向的铰链传动联接；所述驱动电路电连接所述动力组件；所述髋关节部件在驱动电路控制下驱动所述大腿板输出力矩或旋转。所述步行辅助装置的整体结构更加简单，使用更加方便。

Description

一种步行辅助装置及装置控制方法

技术领域

本发明涉及可穿戴外骨骼技术领域，尤其涉及一种可以辅助人体行走的步行辅助装置及装置控制方法。

背景技术

现有技术中，人类在日常工作生活中常常遇到希望增强人体腿部力量和耐力的情况，可穿戴的步行辅助装置是满足这一类应用的装置，尤其是带有髋关节动力的步行辅助装置。现有技术专利CN201910629295、CN201910857589、CN201880003018、US10350129B2均披露了这类装置的实现机构。

但目前的髋关节助力的步行辅助装置动力部分大都结构复杂、体积庞大，不利于日常生活。例如专利CN201610676549.1披露的结构，侧面凸出人体很多，阻碍人体正常行走时手臂的摆动。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种可以辅助人体行走的步行辅助装置及装置控制方法，旨在解决现有辅助装置结构复杂、使用不便的问题。

为实现上述目的，本发明实施例第一方面提出一种步行辅助装置。该步行辅助装置包括：腰背框架、髋关节部件、大腿板、驱动电路及传感***，所述腰背框架包含背部支撑结构和与所述背部支撑结构传动联接的腰部连接杆，所述腰部连接杆从穿戴者后腰延伸至两侧髋部，并与所述髋关节部件固联；所述髋关节部件包括动力组件和基座，所述动力组件设置于所述基座上，所述基座与所述腰背框架固联，所述动力组件带有输出端，所述输出端与所述大腿板通过冠状面方向的铰链传动联接；所述驱动电路电连接所述动力组件；所述传感***连接至所述驱动电路，用于感知所述穿戴者运动状态，所述髋关节部件在驱动电路控制下驱动所述大腿板输出力矩或旋转；所述腰部连接杆设置有两个，并分别位于背部支撑结构两侧，每一腰部连接杆均固联有腰部绑带，所述腰部绑带的末端固定有插扣，两侧腰部绑带上的插扣连接时，所述腰背框架通过腰部绑带实现闭合。

本发明实施例第二方面提出了一种提供辅助助力的装置控制方法。该所述装置控制方法包括：

依据所述传感***，判断进入助力模式或者安全模式，若进入助力模式，则控制步行辅助装置提供运动辅助；所述运动辅助的方向与髋角速度或大腿旋转角速度的方向一致，所述运动辅助由若干基本动作进行组合得到，基本动作之间以时间为序进行排列组合；所述基本动作包括以下几种：所述髋关节部件输出指定方向的给定力矩、所述髋关节部件以给定的速度朝指定方向进行旋转、所述髋关节部件向给定的位置旋转。

本发明与现有技术相比的有益效果是：所述步行辅助装置的整体结构更加简单，使用更加方便。该装置的控制方法通过简单可靠的助力逻辑，实现助力功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明一种步行辅助装置实施例正视示意图；

图2a为本发明一种步行辅助装置实施例侧视穿戴示意图；

图2b为本发明一种步行辅助装置实施例侧视穿戴示意图；

图2c为本发明一种步行辅助装置实施例侧视穿戴示意图；

图3a为本发明一种髋关节部件实施例示意图；

图3b为本发明一种髋关节部件实施例示意图；

图4a为本发明一种腰宽调节机构的实施例示意图；

图4b为本发明一种杆体止动机构的实施例示意图；

图5a为本发明一种气垫足底压力传感装置实施例示意图；

图5b为本发明一种薄膜足底压力传感装置实施例示意图；

图6为本发明工作模式判断实施例示意图；

图7a为本发明姿态传感器伸/屈髋态判定实施例示意图；

图7b为本发明足底压力传感装置伸/屈髋态判定实施例示意图；

图8为本发明助力计算实施例示意图。

附图标记如下：

1—腰背框架；11—背部支撑结构；12—腰部连接杆；13—腰髋调节机构；121—腰部固定杆；131—旋钮；132—旋钮帽；133—直线位移机构；134—杆体止动机构；1341—拨动杆；1342—压紧上座；1343—压紧下座；1344—传动杆；1345—锁紧轴；

2—髋关节部件；21—基座；22—动力组件；23—第一密闭腔体；24—第二密闭腔体；25—第三密闭腔体；211—固定基座；212—减速机外壳；213—减速机下壳；214—保护盖；221—电机；222—减速机构；2211—电机定子；2212—电机转子；2213—电机导线；2221—一级齿轮；2222—二级齿轮；2223—三级齿轮；2224—输出端；

3—大腿板；31—铰链；

4—驱动电路；

51—足底压力传感装置；52—电机编码器；53—角度传感器；54—惯性传感器；55—穿戴检测传感器；511—连接线束；512—延长线束；513—无线信号发射器；514—气鞋垫；515—气压采集传感器；516—柔性压力鞋垫；517—压力感应区；518—压力采集器；551—距离检测传感器；552—插拔检测传感器；

6—腰部绑带；61—插扣；

7—大腿绑带；

8—交互面板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

图1与图2a为一种本发明步行辅助装置实施例的示意图。如图所示，一种步行辅助装置，包括腰背框架1、髋关节部件2、大腿板3、驱动电路4(结合图3a所示)及传感***，所述腰背框架1包含背部支撑结构11和与所述背部支撑结构11传动联接的腰部连接杆12，所述腰部连接杆12从穿戴者后腰延伸至两侧髋部，并与所述髋关节部件2固联；结合图3a所示，所述髋关节部件2包括动力组件22和基座21，所述动力组件22设置于所述基座21上，所述基座21与所述腰背框架1固联，所述动力组件22带有输出端2224，所述输出端2224与所述大腿板3通过冠状面方向的铰链31传动联接；所述驱动电路4电连接所述动力组件22；所述传感***连接至所述驱动电路4，用于感知所述穿戴者运动状态，所述髋关节部件2在驱动电路4控制下驱动所述大腿板3输出力矩或旋转。

所述大腿板3设置于穿戴者大腿两侧，为了实现步行辅助装置匹配穿戴者腿部的内收外展运动，输出端2224与所述大腿板3通过一个冠状面方向的铰链31连接，铰链31布置在髋关节部件2的下方，尽可能的贴近穿戴者的髋部大转子，铰链31可以实现穿戴者腿部内收外展方向的***。

其中，驱动电路4可布置于髋关节部件2内部，被髋关节部件2保护起来。大腿板3从侧面弧线转到大腿正面，具体可以通过穿戴在穿戴者大腿上的大腿绑带7与穿戴者大腿固定，这样可以将髋关节部件2输出的力矩正面的作用在穿戴者的大腿上，实现辅助行走的效果。

所述腰部连接杆12设置有两个，并分别位于背部支撑结构11两侧，每一腰部连接杆12均固联有腰部绑带6，所述腰部绑带6的末端固定有插扣61，两侧腰部绑带6上的插扣61连接时，所述腰背框架1通过腰部绑带6实现闭合，这样实现与穿戴者腰部的固定。

所述腰部连接杆12为空心杆体结构，其内部容纳用于传感***与驱动电路4的电连接的导线介质。如图2b所示，所述腰部连接杆12还包含有腰部固定杆121，所述腰部固定杆121为所述腰部连接杆12的部分杆体及其延伸部分。特别的，如图2c所示，还可以简化设计，将腰部连接杆12与腰部固定杆121两个杆体合成一个杆体，腰部连接杆12的中间部分杆体形状采用腰部固定杆121的杆体形状，保证其依旧可以在侧面卡住穿戴者的髂骨。或者，所述腰部连接杆12与一独立的腰部固定杆121固联。所述腰部连接杆12通过腰部固定杆121固联所述腰部绑带6。所述腰部固定杆呈L字形，布置于穿戴者髂骨位置，用于卡住穿戴者的腰部以防步行辅助装置下坠。

为了保证步行辅助装置在穿戴者腰部的稳定放置，腰部绑带6采用硬质或者半硬质的薄片材料制成，腰部连接杆12、腰部固定杆121与腰部绑带6在侧面卡住穿戴者的髂骨。显然，本发明实施例提供的步行辅助装置可以为对称结构，不仅腰部连接杆12对称设置有两个，髋关节部件2、大腿板3等均对称设置有两个。

所述腰背框架1与髋关节部件2固联后整体为开口朝下的锥形结构，所述腰背框架1呈C字形结构，所述锥形结构的中线穿过C字形结构中心，所述背部支撑结构11、腰部连接杆12、髋关节部件2均向锥形结构的中线倾斜布置。为了配合人体腰部的锥形结构，本实施例中，左侧的腰部连接杆12、腰部固定杆121与其连接的左侧髋关节部件2可向右倾倒10°，右侧的腰部连接杆12、腰部固定杆121与其连接的右侧髋关节部件2可向左倾倒10°，背部支撑结构11可向前倾倒10°，形成一个锥度为10°的锥形结构，围绕在穿戴者的腰背和两侧，锥形结构的中线穿过C字形结构的中心。

本发明实施例提供的髋关节部件2采用扁平布局，具体的，髋关节部件2包括动力组件22和基座21，所述动力组件22设置于所述基座21上，所述动力组件22包括电机221和减速机构222，所述基座21包含固定基座211和设置于所述固定基座211上的减速机壳212，所述减速机构222为齿轮减速机构，所述减速机构222至少包含一级齿轮2221(输入端)、二级齿轮2222、三级齿轮2223；所述腰部连接杆12与固定基座211固联，所述电机221包含电机定子2211与电机转子2212，所述电机定子2211与所述固定基座211固联或为一体化结构，所述电机转子2212与电机定子2211旋转联接，所述电机转子2212与所述一级齿轮2221传动联接，所述一级齿轮2221、二级齿轮2222、三级齿轮2223依次齿啮合传动联接，所述三级齿轮2223与输出端2224传动联接。所述一级齿轮2221、二级齿轮2222、三级齿轮2223和输出端2224均可通过轴承结构旋转联接于减速机外壳212，并可相对其自由转动。

所述固定基座211和减速机壳212均为空腔结构，所述固定基座211与减速机壳212固联形成第一密闭腔体23，所述减速机构222容纳在第一密闭腔体23中，第一密闭腔体23布置在固定基座211的外侧,即远离穿戴者一侧。所述齿轮减速机构在所述第一密闭腔体23内分两层平行排布：第一层为一级齿轮2221与二级齿轮2222齿啮合传动联接，第二层为二级齿轮2222与三级齿轮2224齿啮合传动联接。所述固定基座211中可拆分出减速机下壳213，所述减速机下壳213可以与所述固定基座211一体设置或分开设置，如分开设置，则所述减速机下壳213与固定基座211固联。所述减速机壳212与减速机下壳213固定联接，形成所述第一密闭腔体23。所述电机定子2211与固定基座211固联并布置在固定基座211的内侧，即贴近穿戴者一侧。所述第一密闭腔体23对减速机构222提供定位基准并容纳减速机构222正常运行所需的油脂。

所述固定基座211与减速机壳212形成第一密闭腔体23后，在其外侧形成一个半腔体空间，为了利用这个空间，做到整个结构更加紧凑，所述腰部连接杆12与固定基座211一侧固联形成用于容纳所述驱动电路4的第二密闭腔体24，所述基座21还包含保护盖214，所述保护盖214与固定基座211另一侧固联形成用于容纳电机221的第三密闭腔体25，该第三密闭腔体25可以容纳电机221，从而为电机221提供保护。

所述第三密闭腔体25与第二密闭腔体24布置在固定基座211两侧，所述第三密闭腔体25或者第二密闭腔体24与所述第一密闭腔体23平行排布。第二密闭腔体24可以容纳驱动电路4和电机编码器52(此部件在后文描述)，并为其提供保护作用，所述驱动电路4和电机编码器52均布置在外侧并与固定基座211固联。这样，驱动电路4和电机编码器52自然与电机221相对固定基座211对称分布(此处对称仅指分布在两侧)，为了实现驱动电路4与电机221的可靠电连接，让电机导线2213穿过固定基座211电连接电机，这样电机导线2213的路径最短且被可靠的保护起来。

图3b展示了另一种扁平布局的髋关节部件2的实施例，该实施例相对前一实施例的改进在于：为了使腰部连接杆12更加贴近人体，对调腰部连接杆12与保护盖214的位置，即所述腰部连接杆12与固定基座211一侧固联形成用于容纳所述电机221的第二密闭腔体24，所述基座21还包含保护盖214，所述保护盖214与固定基座211另一侧固联形成用于容纳驱动电路4的第三密闭腔体25。即对调第二密闭腔体24与第三密闭腔体25的位置，这样腰部连接杆12从更加靠近穿戴者的内侧与固定基座211固联，其形成的第二密闭腔体24改为容纳电机。同样的，利用第一密闭腔体23的外侧半腔体空间，保护盖214与固定基座211固联连接形成的第三密闭腔体25容纳驱动电路4和电机编码器52。同时，为了简化生产，如图3b所示，可以将固定基座211与减速机下壳213还有电机定子2211做成一体化结构。

图3a与图3b展示的髋关节部件结构，均可以实现预设的功能，其工作原理是：驱动电路4控制电机221输出转矩，让电机转子2212相对电机定子2211产生旋转运动，通过减速机构222的一、二、三级齿轮减速并放大力矩后，通过输出端2224输出。

此外，在所述髋关节部件2上可设置交互面板8，进行状态指示灯提示及语音提示。具体可以选择左侧或右侧其中之一的髋关节部件2上设置交互面板8。

上述髋关节部件2采用扁平式布局，并集成驱动电路4，压缩髋关节部件2侧面宽度的同时，让整体结构更加简单。

所述腰背框架1还包含腰宽调节机构13，通过该腰宽调节机构13实现不同体型穿戴者的良好适应性；如图4a所示，所述腰宽调节机构13包含旋钮131、直线位移机构133、杆体止动机构134，所述旋钮131与背部支撑结构11旋转联接，所述杆体止动机构134与背部支撑结构11固联，所述旋钮131与直线位移机构133齿啮合传动联接，所述直线位移机构133与腰部连接杆12固联，所述杆体止动机构134与腰部连接杆12传动联接；所述杆体止动机构134采用快拆结构，其与腰部连接杆12配合，具有锁死和松开两种状态，所述杆体止动机构134处于锁死状态时，所述腰部连接杆12与杆体止动机构134固联，所述杆体止动机构134处于松开状态时，腰部连接杆12与杆体止动机构134松脱，通过旋转所述旋钮131，所述直线位移机构133产生相对位移，带动所述腰部连接杆12相对位移，实现腰部连接杆12相对背部支撑结构11的滑动。所述腰宽调节机构13还可包含一旋钮帽132，所述旋钮帽132与旋钮131固定联接，通过该旋钮帽132可方便操作所述旋钮131。

如图4b所示，所述杆体止动机构134包含拨动杆1341、压紧上座1342、压紧下座1343和传动杆1344，所述拨动杆1341与传动杆1344通过一个锁紧轴1345旋转联接，所述腰部连接杆12上设有可穿过传动杆1344的滑动孔(如条形腰孔)，所述传动杆1344依次通过压紧上座1342与腰部连接杆12，并与压紧下座1343固定联接(如通过螺纹与压紧下座1343固定联接)，所述拨动杆1341与压紧上座1342贴合的配合面呈凸起曲线。其工作原理是：当下压拨动杆1341时，其与压紧上座1342之间产生相互作用力，抬高传动杆1344并与压紧上座1342之间产生相对位移，传动杆1344带动压紧下座1343，从而使压紧上座1342与压紧下座1343相对收紧，压紧位于压紧上座1342与压紧下座1343之间的腰部连接杆12，实现腰部连接杆12与杆体止动机构134之间的锁死。反之，抬高拨动杆1341，压紧上座1342与压紧下座1343松开腰部连接杆12，恢复腰部连接杆12与杆体止动机构134的自由滑动。

如图4a所示，所述腰宽调节机构13为对称腰宽调节机构，所述对称腰宽调节机构包括一个旋钮131、分布于旋钮131两侧且交错的两个直线位移机构133和分布于旋钮131两侧的两个杆体止动机构134；所述一个旋钮131同时与所述两个直线位移机构133齿啮合传动联接，且所述两个直线位移机构133分别与两侧的腰部连接杆12固联，每一杆体止动机构134与一个腰部连接杆12固联。这样布置的好处是可以通过一个旋钮131实现同时对两侧的腰宽进行调节。

为了调节腰宽，需要先让左右两侧杆体止动机构134处于松开状态，腰部连接杆12与杆体止动机构134松脱，可以产生相对位移，旋转所述旋钮帽132，带动旋钮131旋转，带动左右两侧的直线位移机构133产生相对位移，带动左右两侧的腰部连接杆12出现相对位移，实现腰部连接杆12相对背部支撑结构11的左右对称滑动。这样就可以左右对称的调节腰宽，当腰宽调节到合适位置后，只需要再下压拨动杆1341，让杆体止动机构134处于锁死状态，此时，旋钮帽132将不能自由旋转。

所述传感***分布于***全身，具体包括：用于感知所述动力组件22角度的电机编码器52、用于感知穿戴者髋关节角度的角度传感器53和用于感知穿戴者姿态的惯性传感器54中的一种或几种，所述电机编码器52和/或所述角度传感器53设置于髋关节部件2上，所述惯性传感器54设置于所述大腿板3上。步行辅助装置根据传感***感知到穿戴者行走姿态并向穿戴者腰及腿部输出力矩。角度传感器53具体可放置于减速机外壳212上，通过导线电连接至驱动电路4，所述角度传感器53中心轴对准输出端2224的中心轴，测量输出端2224相对固定基座211的旋转角度，此角度就是髋关节旋转角度。

所述传感***包含用于感测穿戴者足部与地面之间的压力(即足底压力)的足底压力传感装置51，所述足底压力传感装置51电连接至所述驱动电路4。

如图5a所示，一种所述的足底压力传感装置51的实施例，包括气鞋垫514与气压采集传感器515，所述气鞋垫514为可变形的柔性腔体结构(由柔性薄膜密封形成薄片状腔体结构)，所述柔性腔体结构的密封腔体内填充气体，所述气压采集传感器515设置于所述密封腔体或其延伸体内，所述气压采集传感器515通过有线或无线方式与所述驱动电路连接，其测量穿戴者足部压力的原理在于：所述气鞋垫514在受到压力情况下其密封腔体内部气压会发生变化，所述气压变化为所述气压采集传感器515所感知，从而测量出所述气鞋垫514所承受的压力。测量得到的压力值可通过连接线束511传递至驱动电路4。

也可以在该气鞋垫514的密封腔体中填充液体，只需要将气压采集传感器515替换为液压采集传感器，气鞋垫514替换为液鞋垫即可，整体原理并未改变。

如图5b所示，一种所述的足底压力传感装置51的实施例，包括薄片状的柔性压力鞋垫516(亦可称柔性压力薄膜鞋垫516)与压力采集器518，所述柔性压力鞋垫516上排布若干个压力感应区517，所述压力感应区517可为圆形，所述压力采集器518设置于所述柔性压力鞋垫516上或者其外，所述压力采集器518通过电连接与所述压力感应区517相连接，所述压力采集器518通过有线或无线方式与所述驱动电路4连接。其测量穿戴者足部压力的原理在于；所述柔性压力鞋垫516在受到压力情况下，其上的压力感应区517物理特性发生改变，被所述压力采集器518所感知，从而测量出所述柔性压力鞋垫516所承受的压力。可以采用连接线束将测量得到的压力信号可通过传递至驱动电路4，或者也可以取消连接线束，使用延长线束512将测得的压力信号传输至无线信号发射器513，无线信号发射器513使用wi fi方式电连接至驱动电路4并传输测得的压力信号。无线信号发射器513上设置有一个夹子，可以夹持在穿戴者的鞋帮上防止其随意乱晃，显然，上述足底压力传感装置51的其他实施例同样可以采用无线传输方式，实现原理与本实施例相同或类似。该实施例相对上一实施例，鞋垫会更薄，贴合足底，体验更好，同时采用无线信号传输会使穿戴更加简单，延长线束512的使用也使得较大块的无线信号发射器513不再硌脚。

所述传感***包含穿戴检测传感器55，所述穿戴检测传感器55包括距离检测传感器551和/或插拔检测传感器552，两者使用任意一个或者一同使用均可；所述距离检测传感器551设置在腰背框架1上，此时所述距离检测传感器551用于检测放置点与人体距离，当放置点与人体距离小于预定值后，判定用户穿戴步行辅助装置并发出信号，否则判定步行辅助装置脱下步行辅助装置并发出信号；所述插拔检测传感器552设置在所述腰背绑带6的插扣61上，所述插拔检测传感器552检测所述腰背绑带6是否连接，当腰背绑带6连接后，判定用户穿戴步行辅助装置并发出信号，否则判定用户脱下步行辅助装置并发出信号。

基于上述步行辅助装置，本发明提出一种自适应、高可靠的装置控制方法，采用该方法可以在任意匀速运动、非匀速运动情况下均获得连续稳定可靠的助力。

所述装置控制方法包括：依据所述传感***，判断进入助力模式或者安全模式，若进入助力模式，则控制步行辅助装置提供运动辅助；所述运动辅助的方向与髋角速度或大腿旋转角速度的方向一致，所述运动辅助由若干基本动作进行组合得到，基本动作之间以时间为序进行排列组合；所述基本动作包括以下一种或几种：所述髋关节部件输出指定方向的给定力矩、所述髋关节部件以给定的速度朝指定方向进行旋转、所述髋关节部件向给定的位置旋转。

具体地，本步行辅助装置在运行过程中持续进行安全状态的逻辑判断，安全状态判断仅涉及逻辑状态，不涉及时间先后关系，如图6所示：

一)用户姿态判断

使用姿态传感器(如角度传感器53、惯性传感器54等)，判断穿戴者是否处于可以助力的姿态。读出惯性传感器54的数据，经欧拉法处理后得到大腿倾角，再读出角度传感器53的髋关节角度，两者相减得到背部倾角。当穿戴者站立、行走时，大腿倾角与背部倾角均保持较为竖直状态时，判断穿戴者可以接受助力，逻辑输出“是”；当穿戴者坐下，平躺地面时，判断穿戴者不可以接受助力，逻辑输出“否”。

二)足底压力判断

使用足底压力传感装置51，当在一段时间内未检测到足底压力时(例如坐下、平躺)，逻辑输出“否”，否则逻辑输出“是”。

三)穿戴检测判断

使用距离检测传感器551，该距离检测传感器551会实时测量与穿戴者之间的距离，读取该距离检测传感器551与穿戴者的距离，当出现测量距离大于一定值时，则判断穿戴者并未穿戴设备，逻辑输出“否”，否则逻辑输出“是”。

使用插拔检测传感器552，该插拔检测传感器552会实时监测腰部绑带6上的插扣61是否可靠插牢，当检测到插扣61脱开时(说明穿戴者自己脱下)，则判断穿戴者并未穿戴设备，逻辑输出“否”，否则逻辑输出“是”。

当上述一、二、三任一逻辑输出为“否”时，控制步行辅助装置进入安全模式；当上述一、二、三逻辑输出均为“是”时，控制步行辅助装置进入助力模式，这样可以确保穿戴者已正确穿戴设备。

当装置处于安全模式时，控制髋关节部件2不进行任何输出、控制位于左侧或右侧髋关节部件2上的交互面板8进行状态指示灯提示及语音提示。

当处于助力模式时，需要及时可靠地判断穿戴者腿部的运动状态，并给予伸髋/屈髋助力。

本发明提出的装置控制方法，其控制依据为：人体在运动中，大腿前后交替摆动；当大腿向前摆动到前端最远点，髋角速度方向转为伸髋方向，大腿开始向后运动；当大腿向后摆动到后端最远点，髋角速度方向转为屈髋方向，大腿开始向前运动。

所述装置控制方法还包括：

依据所述传感***，感测穿戴者腿部运动状态，当髋角速度方向由屈髋态转向伸髋态时，判定大腿开始向后运动，控制步行辅助装置进入伸髋态；当髋角速度方向由伸髋态转向屈髋态时，判定大腿开始向前运动，控制步行辅助装置进入屈髋态；

和/或，依据所述传感***，感测穿戴者的足底压力，将当前足底压力大小与设定阈值进行比较：当足底压力小于阈值时，控制步行辅助装置进入屈髋态；当足底压力大于阈值时，控制步行辅助装置进入伸髋态。

如图7a所示，使用姿态传感器(角度传感器53、惯性传感器54等)感测人体运动腿部状态，当髋角速度方向由屈髋态转向伸髋态时，认为大腿开始向后运动，步行辅助装置进入伸髋态；当髋角速度方向由伸髋态转向屈髋态时，认为大腿开始向前运动，步行辅助装置进入屈髋态。

如图8所示，所述的装置控制方法还包括：当步行辅助装置由非伸髋态进入伸髋态后，开始计时，并开始控制髋关节部件2输出伸髋方向的力矩，力矩的大小由0开始增大，在计算达到某一设定时刻后开始减小直到0；当步行辅助装置由非屈髋态进入屈髋态后，开始计时，并开始控制髋关节部件2输出屈髋方向的力矩，力矩的大小由0开始增大，在计算达到某一设定时刻后开始减小直到0；

其中，输出力矩的增大与减小速度与当时的髋角速度大小及方向有关；当髋角速度方向与髋态的屈伸相反(如伸髋态有屈髋角速度)，则输出力矩的大小应按预定速度向0减小(应迅速向0减小)；当髋角速度方向与髋态的屈伸相同，计时未达到设定时刻时，髋角速度大小越大，输出力矩越快增大到最大值；计时达到设定时刻时，髋角速度大小越大，输出力矩越慢减小到0；

输出力矩的时间依据步态周期的时间进行同步延长或缩短，所述步态周期的定义是：运动过程中，腿部两次达到同一状态之间间隔的时间。本实施例中，选用的同一状态是前端最远点，在实际使用中，也可以选用后端最远点或者其它可准确定义的状态。

但在非匀速直线运动时，使用姿态传感器的控制方案可能效果不佳，其原因在于：人体的周期性运动状态被打破；几种典型的失效情况如下：转弯时(支撑腿几乎静止不动，无法准确检测角速度方向)、行走过程中停下(停下步态周期变为无穷大，但助力使用的步态周期为行走中的，会有一次多余助力，甚至导致震荡)、由静止起步时(助力延迟)。

如图7b所示，为了解决上述问题，本发明通过感测足底压力来进行判断，解决非匀速周期运动情况下的稳定助力问题。通过当前足底压力大小与设定阈值进行比较：当足底压力小于阈值时，控制步行辅助装置进入屈髋态，这解决了转弯或起步时由于运动幅度很小导致的助力延迟问题；当足底压力大于阈值时，控制步行辅助装置进入伸髋态，这解决了停下时的误助力问题。

在实际使用中，将使用姿态传感器与使用足底压力传感装置判断伸/屈髋态的判定方法进行融合，可以进一步提升稳定性。

步行辅助装置在使用时需要准确检测穿戴者运动意图，并适时提供适度助力才能更好地发挥外骨骼设备的助力效果。在步行辅助装置现有技术中，很多采用振子模型实现助力。但振子模型是假设人体运动是一个周期的弹簧振子，不会发生大的变速，适用于匀速行走，当出现突然加速或者减速转弯等非匀速运动情况时，容易造成助力延迟、反复切换甚至振荡，设备稳定性不好。本发明实施例能够简单有效的根据穿戴者运动情况给出相匹配的助力，克服了当前技术在非匀速运动情况下助力延迟、反复切换甚至振荡的问题，该方法通过简单可靠的助力逻辑，能够自适应穿戴者的不同行走情况。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，尚且本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种步行辅助装置，包括腰背框架、髋关节部件、大腿板、驱动电路及传感***，其特征在于，所述腰背框架包含背部支撑结构和与所述背部支撑结构传动联接的腰部连接杆，所述腰部连接杆从穿戴者后腰延伸至两侧髋部，并与所述髋关节部件固联；所述髋关节部件包括动力组件和基座，所述动力组件设置于所述基座上，所述基座与所述腰背框架固联，所述动力组件带有输出端，所述输出端与所述大腿板通过冠状面方向的铰链传动联接；所述驱动电路电连接所述动力组件；所述传感***连接至所述驱动电路，用于感知所述穿戴者运动状态，所述髋关节部件在驱动电路控制下驱动所述大腿板输出力矩或旋转；所述腰部连接杆设置有两个，并分别位于背部支撑结构两侧，每一腰部连接杆均固联有腰部绑带，所述腰部绑带的末端固定有插扣，两侧腰部绑带上的插扣连接时，所述腰背框架通过腰部绑带实现闭合；

所述动力组件包括电机和减速机构，所述基座包含固定基座和设置于所述固定基座上的减速机壳，所述减速机构为齿轮减速机构，所述减速机构至少包含一级齿轮、二级齿轮、三级齿轮；所述腰部连接杆与固定基座固联，所述电机包含电机定子与电机转子，所述电机定子与所述固定基座固联或为一体化结构，所述电机转子与电机定子旋转联接，所述电机转子与所述一级齿轮传动联接，所述一级齿轮、二级齿轮、三级齿轮依次齿啮合传动联接，所述三级齿轮与输出端传动联接；

所述固定基座与减速机壳固联形成第一密闭腔体，所述齿轮减速机构在所述第一密闭腔体内分两层平行排布：第一层为一级齿轮与二级齿轮齿啮合传动联接，第二层为二级齿轮与三级齿轮齿啮合传动联接；

所述腰部连接杆与固定基座一侧固联形成用于容纳所述驱动电路的第二密闭腔体；或者，所述腰部连接杆与固定基座一侧固联形成用于容纳所述电机的第二密闭腔体；

所述基座还包含保护盖，所述保护盖与固定基座另一侧固联形成第三密闭腔体；当第二密闭腔体容纳所述驱动电路时，第三密闭腔体容纳所述电机，或者，当第二密闭腔体容纳所述电机时，第三密闭腔体容纳所述驱动电路；

所述第三密闭腔体与第二密闭腔体布置在固定基座两侧，所述第三密闭腔体或者第二密闭腔体与所述第一密闭腔体平行排布。

2.根据权利要求1所述的步行辅助装置，其特征在于，所述腰部连接杆为空心杆体结构，其内部容纳用于电连接的导线介质；所述腰部连接杆还包含有腰部固定杆，所述腰部固定杆为所述腰部连接杆的部分杆体及其延伸部分；或者，所述腰部连接杆与一独立的腰部固定杆固联；

所述腰部固定杆呈L字形，布置于穿戴者髂骨位置，用于卡住穿戴者的腰部以防步行辅助装置下坠。

3.根据权利要求1所述的步行辅助装置，其特征在于，所述腰背框架与髋关节部件固联后整体为开口朝下的锥形结构，所述腰背框架呈C字形结构，所述锥形结构的中线穿过C字形结构中心，所述背部支撑结构、腰部连接杆、髋关节部件均向锥形结构的中线倾斜布置。

4.根据权利要求1所述的步行辅助装置，其特征在于，所述腰背框架还包含腰宽调节机构；所述腰宽调节机构包含旋钮、直线位移机构、杆体止动机构，所述旋钮与背部支撑结构旋转联接，所述杆体止动机构与背部支撑结构固联，所述旋钮与直线位移机构齿啮合传动联接，所述直线位移机构与腰部连接杆固联，所述杆体止动机构与腰部连接杆传动联接；所述杆体止动机构具有锁死和松开两种状态，所述杆体止动机构处于锁死状态时，所述腰部连接杆与杆体止动机构固联，所述杆体止动机构处于松开状态时，腰部连接杆与杆体止动机构松脱，通过旋转所述旋钮，所述直线位移机构产生相对位移，带动所述腰部连接杆相对位移，实现腰部连接杆相对背部支撑结构的滑动。

5.根据权利要求4所述的步行辅助装置，其特征在于，所述腰宽调节机构为对称腰宽调节机构，所述对称腰宽调节机构包括一个旋钮、分布于旋钮两侧且交错的两个直线位移机构和分布于旋钮两侧的两个杆体止动机构；所述一个旋钮同时与所述两个直线位移机构齿啮合传动联接，且所述两个直线位移机构分别与两侧的腰部连接杆固联，每一杆体止动机构与一个腰部连接杆固联。

6.根据权利要求4或5所述的步行辅助装置，其特征在于，所述杆体止动机构包含拨动杆、压紧上座、压紧下座和传动杆，所述拨动杆与传动杆通过一个锁紧轴旋转联接，所述腰部连接杆上设有可穿过传动杆的滑动孔，所述传动杆依次通过压紧上座与腰部连接杆，并与压紧下座固定联接，所述拨动杆与压紧上座贴合的配合面呈凸起曲线。

7.根据权利要求1所述的步行辅助装置，其特征在于，所述传感***包括：用于感知所述动力组件角度的电机编码器、用于感知穿戴者髋关节角度的角度传感器和用于感知穿戴者姿态的惯性传感器中的一种或几种，所述电机编码器和/或所述角度传感器设置于髋关节部件上，所述惯性传感器设置于所述大腿板上。

8.根据权利要求1所述的步行辅助装置，其特征在于，所述传感***包括用于感测穿戴者足部与地面之间的压力的足底压力传感装置，所述足底压力传感装置电连接至所述驱动电路；

所述足底压力传感装置包括气鞋垫与气压采集传感器，所述气鞋垫为可变形的柔性腔体结构，所述柔性腔体结构的密封腔体内填充气体，所述气压采集传感器设置于所述密封腔体或其延伸体内，所述气压采集传感器通过有线或无线方式与所述驱动电路连接；或者，所述足底压力传感装置包括液鞋垫与液压采集传感器，所述液鞋垫为可变形的柔性腔体结构，所述柔性腔体结构的密封腔体内填充液体，所述液压采集传感器设置于所述密封腔体或其延伸体内，所述液压采集传感器通过有线或无线方式与所述驱动电路连接；

或者，所述足底压力传感装置包括柔性压力鞋垫与压力采集器；所述柔性压力鞋垫上排布若干个压力感应区，所述压力采集器设置于所述柔性压力鞋垫上或者其外，通过电连接与所述压力感应区相连接，所述压力采集器通过有线或无线方式与所述驱动电路连接。

9.根据权利要求1所述的步行辅助装置，其特征在于，所述传感***包括穿戴检测传感器，所述穿戴检测传感器包括距离检测传感器和/或插拔检测传感器；所述距离检测传感器设置在腰背框架上，所述距离检测传感器用于检测放置点与人体距离，当放置点与人体距离小于预定值后，判定用户穿戴步行辅助装置并发出信号，否则判定脱下步行辅助装置并发出信号；所述插拔检测传感器设置在所述腰背绑带插扣上，所述插拔检测传感器检测所述腰背绑带是否连接，当腰背绑带连接后，判定用户穿戴步行辅助装置并发出信号，否则判定用户脱下步行辅助装置并发出信号。

10.一种提供辅助助力的装置控制方法，运行于满足上述权利要求1-9任一种的步行辅助装置上，其特征在于，所述装置控制方法包括：

依据所述传感***，判断进入助力模式或者安全模式，若进入助力模式，则控制步行辅助装置提供运动辅助；所述运动辅助的方向与髋角速度或大腿旋转角速度的方向一致，所述运动辅助由若干基本动作进行组合得到，基本动作之间以时间为序进行排列组合；所述基本动作包括以下一种或几种：所述髋关节部件输出指定方向的给定力矩、所述髋关节部件以给定的速度朝指定方向进行旋转、所述髋关节部件向给定的位置旋转。

11.根据权利要求10所述的装置控制方法，其特征在于，还包括：

依据所述传感***，感测穿戴者腿部运动状态，当髋角速度方向由屈髋态转向伸髋态时，判定大腿开始向后运动，控制步行辅助装置进入伸髋态；当髋角速度方向由伸髋态转向屈髋态时，判定大腿开始向前运动，控制步行辅助装置进入屈髋态；

和/或，依据所述传感***，感测穿戴者的足底压力，将当前足底压力大小与设定阈值进行比较：当足底压力小于阈值时，控制步行辅助装置进入屈髋态；当足底压力大于阈值时，控制步行辅助装置进入伸髋态。

12.根据权利要求11所述的装置控制方法，其特征在于，还包括：当步行辅助装置由非伸髋态进入伸髋态后，开始计时，并开始控制髋关节部件输出伸髋方向的力矩，力矩的大小由0开始增大，在计算达到设定时刻后开始减小直到0；当步行辅助装置由非屈髋态进入屈髋态后，开始计时，并开始控制髋关节部件输出屈髋方向的力矩，力矩的大小由0开始增大，在计算达到设定时刻后开始减小直到0；

其中，当髋角速度方向与髋态的屈伸相反，则输出力矩的大小应按预定速度向0减小；当髋角速度方向与髋态的屈伸相同，计时未达到设定时刻时，髋角速度大小越大，输出力矩越快增大到最大值；计时达到设定时刻时，髋角速度大小越大，输出力矩越慢减小到0；

输出力矩的时间依据步态周期的时间进行同步延长或缩短，所述步态周期的定义是：运动过程中，腿部两次达到同一状态之间间隔的时间。