技术领域
[0001] 本发明涉及外骨骼机器人领域，尤其涉及一种可穿戴柔性下肢重力平衡外骨骼。
相关背景技术
[0002] 随着中国老龄化程度的加深，因生理功能衰退导致的下肢肌力不足等问题严重影响老年人的日常生活活动。为了帮助老年人行走，一些可穿戴设备被提出来，其中下肢外骨骼对于促进患者恢复正常机能具有重要的作用。
[0003] 目前，绝大多数的下肢外骨骼多为刚性结构，重量一般较大，作为额外负担会增加穿戴者的能量消耗。同时，刚性结构对关节运动自由度会产生一定限制，进而改变穿戴者的自然步态模式，而柔性下肢外骨骼具有重量轻、人体运动适应性强等优点越来越多的受到关注。
[0004] 因此，本领域的技术人员致力于提供一种用于下肢运动功能障碍康复的可穿戴柔性下肢重力平衡外骨骼，满足重量轻、柔性大、助力更自然的要求，能够在人行走过程中对髋关节进行重力补偿，产生下肢重力平衡的效果，减少穿戴者在行走过程中的能量消耗。
具体实施方式
[0055] 以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0056] 在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
[0057] 如图1所示，本发明实施例提供的一种可穿戴柔性下肢重力平衡外骨骼，可用于下肢运动功能障碍康复，满足重量轻、柔性大、助力更自然的要求，能够在人行走过程中对髋关节进行重力补偿，产生下肢重力平衡的效果，减少穿戴者在行走过程中的能量消耗，该可穿戴柔性下肢重力平衡外骨骼相对于人体左右对称，包括柔性服装1、膝关节绑缚机构2、鲍登线传动机构3和重力平衡装置4，其中，
[0058] 柔性服装1穿戴于人体上半身，为重力平衡装置提供受力锚点，保证穿戴的稳定性；
[0059] 膝关节绑缚机构2安装于人体下肢膝关节处，将重力平衡装置4与膝关节相连；
[0060] 鲍登线传动机构3分布于大腿前侧，为髋关节屈曲提供助力，鲍登线传动机构3和膝关节绑缚机构2连接；
[0061] 重力平衡装置4安装在柔性服装1前侧，助力髋关节屈曲，重力平衡机构4和鲍登线传动机构3结合，采用仿生驱动方式，模仿下肢髋屈肌的力线走向。
[0062] 如图2所示，柔性服装1包括双肩带101、胸部固定带102、腰部固定带103和腰带104，双肩带101与胸部固定带103固定连接，腰部固定带104与腰带104固定连接，在提供稳定锚点的同时保证柔性服装1与人体上半身贴合紧密。
[0063] 优选地，双肩带101与胸部固定带103缝合，腰部固定带104与腰带104缝合。
[0064] 如图3所示，膝关节绑缚机构2包括膝上部201、膝中部202和膝下部203，膝上部201和膝下部203由低温热塑板和海绵内衬组成，膝中部202包括支撑弹簧，膝中部202的两端分别与膝上部201和膝下部203的低温热塑板相连，在保证牢固性的同时又提高了穿戴舒适性，膝上部201连接鲍登线传动机构中3鲍登线301的下端。
[0065] 如图4～图9所示，重力平衡装置4包括固定组模块401和滑动组模块402，固定组模块401包括腰部固定壳4011、导向杆固定板4012和滑动固定件4013，滑动组模块402包括滑动板4021、导向杆4022、弹簧4023、导向滑轮4024、丝杆4025、齿条4026和压洞板4027，滑动组模块402的滑动板4021用于固定重力平衡装置4的零部件，滑动板4021与腰部固定壳4011两侧的孔洞嵌合，滑动固定件4013和导向滑轮4024数量设置相同，数量均设置为三组。导向滑轮2024由滑动固定件4013通过螺栓固定在滑动板4021的外侧，用于给鲍登线301规定传动路径；齿轮传动片40214嵌入滑动板4021上部，用于固定内侧机构；滑动板4021内侧的齿轮线轮轴40213将两个齿轮40212和一个线轮40211与齿轮传动片40214连接在一起，用于在驱动时拉紧或者伸展鲍登线301。导向杆4022上端通过螺栓与导向杆固定板4012连接，压洞板4027设置有三个孔洞，分别穿过两根导向杆4022和一个丝杆4025，两根导向杆4022上分别套有两根弹簧4023，用与给弹簧4023规定压缩路径。腰部固定壳4011内侧固定的两根齿条4026用于与齿轮40212啮合，在弹簧4023压缩或者舒张时通过齿轮40212的转动带动滑动板4021上下滑动。
[0066] 可穿戴柔性下肢重力平衡外骨骼采用弹簧4023作为弹性元件，使用丝杆4025来调节弹性元件的预压缩量，实现整个机构的系统刚度变化；当人体下肢摆动时，膝关节绑缚机构2通过鲍登线301传动机构将力传递给腰部的重力平衡装置4，重力平衡装置4在受力的情况下，滑动板4021通过齿轮40212在齿条4026上的转动而开始滑动，并开始压缩弹性元件，丝杆机构通过改变预压缩量来改变整个机构的系统刚度，达到下肢重力平衡的效果。
[0067] 重力平衡装置4采用弹簧辅助法来抵消重力的影响，弹簧辅助法没有添加不适当的重量，通过转动丝杆4025改变弹簧4023的预压缩量来改变系统的刚度，补偿下肢在行走时产生的重力矩，弹簧辅助法利用弹簧4023压缩储存的能量，额外增加弹性势能，人体和重力平衡装置4相互配合，储存弹性势能保证髋关节力矩与腿部重力矩相等来达到重力平衡的效果，其中，
[0068] 髋关节力矩Mh为：
[0069] Mh＝Kh×(l‑l0)×Lh
[0070] 其中，Kh为弹簧刚度系数，l为弹簧长度，l0为弹簧初始长度，Lh为弹簧相对与髋关节转动中心的力矩臂；
[0071] 人体下肢在屈曲抬升过程中髋关节所承受的所述腿部重力矩MG为：
[0072] MG＝m1gl1*sinθh+m2g(l1sinθh+l2*sin(θh‑θk))+m3g(l1sinθh+l2sin(θh‑θk))[0073] 其中，以髋关节转动中心为坐标原点，l1为大腿长度，m1为大腿质量，大腿质心到髋*关节转动中心距离为l1，l2为小腿长度，m2为小腿质量，小腿质心到膝关节转动中心距离为*
l2，m3为足简化为小腿末端一个质量点的质量，θh为髋关节的转动角度，θk为膝关节的转动角度；
[0074] 根据人体下肢静态重力平衡模型，当Mg＝Mh时可实现重力矩平衡，所述重力平衡装置的刚度Kh为：
[0075]
[0076] 其中，θ1、θ2、d3、h3可由以下公式计算获得：
[0077]
[0078]
[0079]
[0080]
[0081] 式中，d1是从点Uh到Phip的垂直距离，d2是从点Uh到Phip之间的水平距离，h1是从点H到点Phip的距离，h2表示点Dh和H之间的距离；点Phip为髋关节旋转中心，上锚点Uh设置在额前上棘，下锚点Dh设置在大腿前侧的身体表面上，股骨长度的一半，UhDhPhip构成的面位于大腿中部与人体矢状面平行，点P是点Uh在人体躯干上的投影，点H是点Dh在大腿中轴上的投影，如图10所示。
[0082] 本发明针对传统外骨骼的刚性结构很难适应人体在不同阶段的运动变化，难以适应复杂的外界环境的问题，本发明采用变刚度设计，弹性元件和柔性机构配合，在不同阶段提供适当的刚度和形状来匹配人体的运动变化，更好的适应患者的康复需求。根据实际情况调整刚度，安全性更高。本发明提供的可穿戴柔性下肢重力平衡外骨骼，设计了线驱动机构实现下肢屈曲过程中助力，通过弹簧、齿轮与绳驱的方式实现应用于髋关节处下肢重力平衡机构的原理设计，并建立了人体下肢的运动学和动力学模型，分析求解在步态过程中重力平衡辅助下的各关节处的力矩大小情况，推导出符合人体下肢行走的重力平衡模型，使其可以实现下肢在行走过程中的重力平衡。本发明通过严格的理论计算精确模拟人体动力学和运动学因素，帮助优化外骨骼结构，使得外骨骼与人体的适配程度更高，提高外骨骼的辅助性和安全性。
[0083] 另外，针对现有外骨骼结构体积较大、质量大，作为额外的负担会增加穿戴者的能量消耗的问题，本发明采用模块化设计，各部分零件较小，结构简单并且组装方便。重力平衡机构和鲍登线传动机构结合，采用仿生驱动方式，模仿下肢髋屈肌的力线走向，提高了传动的效率，减少穿戴者在运动过程中的代谢成本。本发明实施例提供的重力平衡装置主要包括滑动组模块和固定组模块两部分，装置通过固定组模块固定在腰部绑带上，装置内部采用齿轮和齿条配合滑动板滑动，鲍登线传动机构上端连接装置内部齿轮，下端连接膝关节绑缚机构膝上部。当人体下肢摆动时，膝关节绑缚机构通过鲍登线传动机构将力传递给腰部的重力平衡装置，装置在受力的情况下滑动板通过齿轮在齿条上的转动开始滑动，并开始压缩弹性元件，此时丝杆机构可以通过改变预压缩量改变整个机构的系统刚度，达到下肢重力平衡的效果。同时，本发明实施例提供的重力平衡装置质量小、体积小，各模块结构简单，成本低廉。
[0084] 针对现有外骨骼多为刚性结构，不能很好的贴合人体，并且穿戴舒适性差，可能会影响穿戴者正常的步态问题，本发明采用柔性绑带代替了刚性连杆，每条绑带相互缝合并配有固定卡扣方便穿脱，腰部绑带作为重力平衡机构受力点，柔性服装通过腰带的受力点将力均匀的分散到人体上半身，膝关节绑缚机构分为上中下三部分更好的固定下肢受力点并保护膝关节，机构不会在力的作用下发生偏移，柔性绑带更加贴合人体，在保证结实的基础上提供了稳定的受力锚点，穿戴更方便，舒适性更好，可以适应不同体型。
[0085] 下面结合本发明的优选实施例，对本发明进行详细说明。
[0086] 本发明优选实施例提供的一种可穿戴柔性下肢重力平衡外骨骼，包括柔性服装1、膝关节绑缚机构2、鲍登线传动机构3、重力平衡装置4，穿戴效果如图1所示。
[0087] 柔性服装1穿戴于人体上半身，为重力平衡装置4提供受力锚点，保证穿戴的稳定性；膝关节绑缚机构2安装于人体下肢膝关节处，用于将重力平衡装置4与膝关节相连；鲍登线传动机构3分布于大腿前侧，为髋关节屈曲提供助力；重力平衡装置4安装在所述柔性服装1前侧，助力髋关节屈曲。本发明为穿戴者不同步态相位下髋关节的屈曲提供辅助力矩，通过改变弹簧刚度对髋关节进行重力补偿达到下肢重力平衡的效果，提高下肢功能障碍者行走的稳定性，并改善下肢异常步态。
[0088] 本实施例的可穿戴柔性下肢重力平衡外骨骼相对于人体左右对称，以下如无特别说明，仅对单侧结构进行描述。
[0089] 如图2所示，柔性服装1包括双肩带101、胸部固定带102、腰部固定带103、腰带104，双肩带101与胸部固定带102缝合，腰部固定带103与腰带104缝合。在提供稳定锚点的同时保证柔性服装1与人体上半身贴合紧密。
[0090] 如图3所示，膝关节绑缚机2构包括膝上部201、膝中部202、膝下部203，膝上部201和膝下部203都是由低温热塑板和海绵内衬组成，膝中部202包括支撑弹簧，两端分别与膝上部202和膝下部203的低温热塑板相连，在保证牢固性的同时又提高了穿戴舒适性。所述鲍登线301的下端连接膝上端201。
[0091] 如图4和5所示，固定组模块401和滑动组模块402的各个零件进行连接，其中，主要零件固定在滑动板4021上，滑动板4021与腰部固定壳4011两侧的孔洞嵌合，构成了整个重力平衡装置4。
[0092] 如图6和7所示，三个导向滑轮4024由三组滑动固定件4013通过螺栓固定在滑动板4021的外侧，用于给鲍登线301规定传动路径。而齿轮传动片40214嵌入滑动板4021上部，用于固定内侧机构。滑动板4021内侧齿轮线轮轴40213将两个齿轮40212和一个线轮40211与齿轮传动片40214连接在一起，用于在驱动时拉紧或者伸展鲍登线。
[0093] 如图8所示，导向杆4022上端通过螺栓与导向杆固定板4012连接。压洞板4026有三个孔洞，分别穿过两根导向杆4022和一个丝杆4025。两根导向杆4022上分别套有两根弹簧4023，用与给弹簧4023规定压缩路径。
[0094] 如图9所示，腰部固定壳4011内侧固定的两根齿条4026用于与齿轮40212啮合，在弹簧压缩或者舒张时通过齿轮40212的转动带动滑动板4021上下滑动。
[0095] 重力平衡装置采用弹簧辅助的方法是利用弹簧压缩储存的能量来抵消重力的影响，并且弹簧辅助法没有不适当的重量添加到系统，系统通过转动丝杆改变弹簧的预压缩量来改变系统的刚度，补偿下肢在行走时产生的重力矩。
[0096] 人在行走过程中下肢动能和势能相互转化来节省人体代谢消耗，重力平衡装置又额外增加了弹性势能。从站立到腿向后伸展过程中，人体下肢的运动给弹簧储能，当伸展到最大角度时，弹性势能达到最大值；随着腿的向前摆动，重力势能逐渐变为零，人体储存的弹性势能部分转化为动能；在摆动腿屈曲抬升的过程中，重力平衡装置中的弹簧刚度变大，到屈曲到最高位置时，由装置储存的弹性势能和动能全部转化为重力势能。在整个行走过程中，人体和装置相互配合，储存弹性势能保证髋关节力矩与腿部重力矩相等来达到重力平衡的效果。
[0097] 对于髋关节外骨骼数学模型，如图10所示，Kh看作弹簧的刚度系数，l为弹簧的长度，l0为弹簧的初始长度，Lh为弹簧相对与髋关节转动中心的力矩臂，则髋关节产生的力矩Mh为
[0098] Mh＝Kh×(l‑l0)×Lh
[0099] 对于人体下肢静态重力平衡模型，将腿部看作如图11所示的二自由度机构，以髋*关节转动中心为坐标原点，大腿长度为l1，质量为m1，质心到髋关节转动中心距离为l1。将*
小腿长度为l2，质量为m2，质心到膝关节转动中心距离为l2。将足简化为小腿末端一个质量为m3的点，忽略踝关节，只考虑髋关节和膝关节的转动角度。则人体下肢在屈曲抬升过程中髋关节所承受的腿部重力矩MG为：
[0100] MG＝m1gl1*sinθh+m2g(l1sinθh+l2*sin(θh‑θk))+m3g(l1sinθh+l2sin(θh‑θk))[0101] 令Mg＝Mh时可实现重力矩平衡，得到重力平衡系统刚度为Kh：
[0102]
[0103] 其中，θ1、θ2、d3、h3可由以下公式计算获得：
[0104]
[0105]
[0106]
[0107]
[0108] 式中，d1是从点Uh到Phip的垂直距离，d2是从点Uh到Phip之间的水平距离，h1是从点H到点Phip的距离，h2表示点Dh和H之间的距离；点Phip为髋关节旋转中心，上锚点Uh设置在额前上棘，下锚点Dh设置在大腿前侧的身体表面上，股骨长度的一半，UhDhPhip构成的面位于大腿中部与人体矢状面平行，点P是点Uh在人体躯干上的投影，点H是点Dh在大腿中轴上的投影，如图10所示。
[0109] 对于人体下肢动态重力平衡模型，如图12所示，人体下肢的势能和动能之间相互转化，进而节省人体的能量消耗。当弹簧被加入到下肢系统中时，势能中又额外增加了弹性势能。
[0110] 以髋关节转动中心为零势能位置,在摆动腿运动过程中，假设人体关节不再做功，摆动开始为a位置，设此时弹性势能为最大值，重力势能为摆动期髋关节屈曲初始值，动能为零。当腿到达b位置时，设此时重力势能为0，动能达到最大值，弹性势能部分转化为动能。当腿到达c位置时，此时重力势能达到最大值，弹性势能为零，动能也为零，因此在此刻弹性势能和动能全部转化为重力势能，这摆动腿屈曲抬升到最高位置，等同于所使用的辅助弹簧的最大弹性势能就等于从c位置到a位置的重力势能变化量。
[0111] 本发明的可穿戴柔性下肢重力平衡外骨骼工作原理如下：
[0112] 整个机构采用弹簧4023作为弹性元件，使用丝杆4025来调节弹性元件的预压缩量，实现整个机构的系统刚度变化。当人体下肢摆动时，膝关节绑缚机构2通过鲍登线传动机构3将力传递给腰部的重力平衡装置1，装置在受力的情况下滑动板4021通过齿轮40212在齿条4026上的转动下开始滑动，并开始压缩弹性元件，此时丝杆机构可以通过改变预压缩量改变整个机构的系统刚度，达到下肢重力平衡的效果。
[0113] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
