[发明专利]具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统及方法

说明书

本发明提供一种具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统及方法，整体结构采用软壳与穿戴者固定，通过大功率舵机驱动绕线盘旋转，带动缠绕在绕线盘上的鲍登线收与放，实现对髋关节、踝关节的助力与卸荷；柔性外骨骼控制模块，通过IMU采集运动信息并进行运动意图识别，根据识别结果生成PWM信号，驱动拉线舵机转动，同时通过拉压传感器采集鲍登线末端拉力，拉力结果进行反馈生成PWM信号，驱动拉线舵机转动；多元生理能耗分析模块采集生理信号，并对信号进行滤波、特征提取和加权融合，并在上位机内进行能耗计算，能耗计算结果通过TCP协议传输至微处理器，能耗结果进行反馈生成PWM信号，驱动拉线舵机转动；同时基于labview能耗监测显示界面进行实时显示。

技术领域

本发明涉及生物医学工程和机械电子工程的交叉技术领域，具体涉及一种具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统及方法。

背景技术

人机协作是现代工业的发展趋势，随着机器人技术和生物医学工程技术的发展，外骨骼机器人与人体的交互协作表现得更加融洽，最大特征表现为外骨骼的发展越来越注重生物层面的人机交互，利用运动意图识别结果控制外骨骼运动，以实现在高效助力的同时保证人体穿戴的舒适性和安全性。

目前，国内外已经存在一些下肢外骨骼设备，多数都是采用硬式外壳，通过机械化的结构给穿戴者提供一定的助力。但刚性外骨骼会增加肢体末端运动惯量，从而造成穿戴者较大的能量消耗，此外刚性连接的关节处存在较大摩擦，关节运动不自然，不能最大程度利用步态过程中的能量，步态能量利用效率较低。

外骨骼系统常用于辅助康复训练，能极大节约成本，且能胜任长时间的重复性助力工作，穿戴者负责环境感知和行为决策，给外骨骼系统提供运动指令，外骨骼系统需要通过传感器推断人的运动意图，从而跟随人体运动，让人机交互系统能更好的协调工作，除此之外还需要鲍登线拉力的反馈，防止外骨骼系统对人体拉力过大造成伤害。但是现有的外骨骼系统一般只能进行简单的助力训练，没有进行拉力反馈，安全问题没有被重视。

外骨骼具有辅助穿戴者负重的作用，这种辅助作用可称为助力性能，助力性能的评价主要是衡量穿戴者穿戴外骨骼前后能耗的变化，衡量人体行走能力的一个重要指标就是能耗，能耗也是监测外骨骼助力效能的一个重要指标。合理的穿戴者能耗评估可作为外骨骼系统的一种重要反馈依据，有助于系统实现对骨骼的更优化控制，现存的外骨骼系统多数缺少合理有效的助力性能评价模块。生理信号是人体状态的重要衡量指标，尤其是对于人体能耗的状况，其中肌电信号随着人体能耗加深，其幅值会增大，频率会降低，与此同时平均脉搏、最大呼气吸气压力以及呼吸频率都呈现增长趋势。

综上，现有的外骨骼系统使下肢关节运动不自然，不能有效解决特定人群运动过程中带来的人体代谢消耗过大等问题，没有进行拉力反馈，安全不能得到保障，并且无法进行能耗评估，实时人机交互性较差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种具有监测穿戴者多元生理能耗的柔性外骨骼系统，包括柔性外骨骼、运动信号采集单元、生理信号采集单元，所述柔性外骨骼包括拉线机构、背带、鲍登线机构、穿戴软壳、工作靴，所述拉线机构包括拉线舵机、框架、绕线盘、外侧碳板，外侧碳板固定在框架的相对侧面上，在框架上固定有两个拉线舵机，每个拉线舵机的输出轴与绕线盘的中心轴相连，绕线盘通过卧式轴承座固定在外侧碳板上，鲍登线机构一端缠绕在绕线盘上，另一端连接在穿戴软壳相应部位，运动信号采集单元用于采集人体不同部位的加速度信号并根据加速度信号识别人体的运动意图，然后根据运动意图识别结果控制柔性外骨骼中拉线舵机的运动；生理信号采集单元用于采集人体的肌电信号、脉搏信号和呼吸信号，并将采集到的信号进行多模态信息融合输出一段时间内的能耗值用于控制柔性外骨骼中拉线舵机的运动；通过拉线舵机驱动鲍登线机构分别带动穿戴软壳、工作靴运动。