[发明专利]一种穿戴式下肢助力装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种穿戴式下肢助力装置，特别是涉及一种能紧密跟随人体下肢运动的，可用于负重行走、康复训练的穿戴式下肢助力装置及其控制方法。

背景技术

据报道，下肢助力外骨骼在美国军队中的应用非常广泛，可以帮助士兵长时间背负战斗需要用的装备，节省体力，有助于在恶劣的环境中提升战斗能力，提高生存率。同样，在其它需要长途负重行走的应用方面，如登山、徒步旅行等，助力外骨骼都能帮助使用者背负行李，减轻使用者旅途中的劳累。下肢助力外骨骼在康复训练有也有广泛应用，如下肢有运动功能障碍的患者，通过穿戴上下肢助力外骨骼，分析下肢功能障碍的情况，制定相应的康复计划进行康复训练。在国外，下肢助力外骨骼由于军方的使用，技术比较成熟，但大多使用的器件繁多，功耗比较大，成本非常高，性价比低下。在国内，无论个人还是高校所设计的有关助力外骨骼或是比较笨重，结构复杂，或是控制过于繁琐或是与人体下肢的跟随性不够好。

如申请号为201310257360.5的中国专利申请公开了一种穿戴型下肢助力机器人、其折叠方法及用于装运的手拉箱，具有膝关节圆盘处的直流伺服减速电机一个独立动力源，配合腿部及脚部随动支撑弹性部件，实现了对人体膝关节的主动助力以及对人体髋关节和踝关节的随动助力等多重功能；申请号为201310262919.3的中国专利申请公开了一种穿戴式下肢助力外骨骼，单侧腿机械连接方式为单自由度闭链结构，与相同自重串联式多自由度外骨骼结构相比，简化控制系统，结构稳定性好，承载能力与运动效率高，电机位置接近地面，降低整机重心，提高了外骨骼装置运动平稳性。但两者的机械结构都比较复杂，装置显得比较笨重。

又如申请号为201110260022.8的中国专利申请公开了一种人机耦合重载携行系统装置及其控制方法，在人体足底、重载携行系统肢体的膝关节安放压力和角度传感器实时感知人体和重载携行系统刚肢体的运动信息和力信息，采用气体蓄能密闭腔执行器装置，实现了液压缸回程运动的助力效果。但是采用液压缸来带动肢体，会导致肢体的运动范围受到一定程度的限制。

发明内容

本发明在于针对上述存在问题和不足，提供一种结构简单、控制简易、跟随性好、不限身高、运动范围大、定位精确的穿戴式下肢助力装置及其控制方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的穿戴式下肢助力装置，由对称设置的两组三自由度机构组成，其特点是所述各组三自由度机构分别包括有由下往上依序连接的脚掌固定机构、踝关节机构、小腿铝板、膝关节机构、大腿铝板、髋关节机构和固定支架，其中所述脚掌固定机构上连接有足部运动状况检测模块，所述固定支架上设置有供电电源。

上述足部运动状况检测模块包括若干组应力压力传感器及与各组应力压力传感器电连接的可将检测到的压力信号分析后形成的数据发送给主机的压力信号处理模块，所述各组应力压力传感器分别设置在脚掌固定机构的不同区域上。

上述踝关节机构、膝关节机构和髋关节机构分别由一台与供电电源电连接的直流电机及一个与直流电机的转轴相连接的减速器组成，其中组成踝关节机构的直流电机和减速器安装固定在小腿铝板的下端且减速器的动力输出轴与脚掌固定机构固定连接，组成膝关节机构的直流电机和减速器安装固定在大腿铝板的下端且减速器的动力输出轴与小腿铝板的上端固定连接，组成髋关节机构的直流电机和减速器安装固定在固定支架上且减速器的动力输出轴与大腿铝板的上端固定连接。

上述各直流电机均为直流力矩电机。

上述踝关节机构、膝关节机构和髋关节机构上分别连接有测速装置。

上述小腿铝板和大腿铝板分别由上板块和下板块组成，所述上板块嵌合在下板块内，且所述上板块和下板块上分别设置有若干个可用于调节两板块使用长度的连接孔。

上述小腿铝板和大腿铝板的中部分别设置有绑带。

上述脚掌固定机构包括脚踏板及设置在脚踏板上的用于将脚踏板固定在脚掌上的紧固件，所述脚踏板通过其上的连接杆与上述踝关节机构相连接。

本发明所述的穿戴式下肢助力装置的控制方法，其特点是该控制方法如下：

首先，将下肢助力装置固定到人的两腿部；

然后，开启供电电源，通过下肢助力装置中的足部运动状况检测模块实时检测足部的运动状况，并将检测到的足部运动状况数据经分析处理后实时地发送给主机，主机根据接收到的数据信息来控制下肢助力装置作出与腿部相仿的动作，其具体控制原理如下：