[0001] 本发明涉及康复器械技术领域，尤其涉及一种柔性驱动的下肢助力外骨骼。

[0002] 老年人身体机能随年龄增长而下降，其中步行功能衰退是大部分老年人所面临的问题，这进一步降低了老年人对环境的适应及应变能力，增加了跌倒摔伤风险。步行作为一套复杂的行为动作体系，需要依靠神经、骨骼及肌肉的配合，并对速度、频率、高度、步长、步幅、方向及体态进行综合调节，通两个多节段下肢和整个身体之间的配合作用完成一系列步行周期。而衰老对人体骨骼、肌肉、神经等的影响表现在：骨密度下降，骨骼更加脆弱且易折断；肌肉纤维出现萎缩等退行性改变；反应速度和认知能力下降。生理的老化和病变导致老年人步态发生变化，出现身体前倾、抬脚慢且低、拖地、划弧、足部内翻、摇摆等步态变形现象，同时还伴随有低头四顾和走走停停现象。步行功能退化降低了老年人独立生活能力和生活质量，更易发生步态变形、失稳跌倒等事故问题。

[0003] 下肢助力外骨骼是解决上述问题的一种很好的方法，其典型形态为布置在人体两大腿外侧的刚性连杆组，依靠腰部、腿部和足部固定绑带固定在人体上。

[0004] 但本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

[0005] 传统的刚性下肢助力外骨骼存在一些不可避免的缺点：(1)舒适性差：人体和外骨骼在矢状面(即人体的对称面)的旋转轴必须对齐；如果没有完全对齐，通过关节连接的刚性连杆就会阻碍生物关节的运动，可能导致用户跌倒或受伤；此外，由于用户生理尺寸、发力习惯等的不同，刚性外骨骼必须使用多种传感器和机构设计以实现对不同人群的兼容；(2)便携性差：刚性下肢助力外骨骼多由金属或者铝合金组成，重量较大，体积大，轻巧和灵活性不突出，不方便老年人日常活动使用；(3)经济性和维护性差：电机、液压缸等组件价格昂贵，结构复杂，在复杂的应用场景中可靠性难以保证。

[0006] 另外，人的步行是重复的交替性迈步，步行数据可以分解成一个一个连续且重复的步态片段，几个连续的步态片段组成的最小不重复的步态动作时间区间被称为一个步态周期。一个完整的步态周期根据足部是否与地面接触可以简单分成支撑相和摆动相两个步态相位。足跟着地至足尖离地的时间段称为支撑相，时长大约占一个步态周期时长的62％；足尖离地至下一次足跟触地的时间称为摆动相，时长大约占一个步态周期时长的38％。

[0007] 在人的步行过程中，地面对人的足底产生一个相互作用力，该相互作用力可以分解成三个分力：竖直方向上足底对人体的支撑力，左右方向上足底的切向力和前后方向上足底的切向力。其中，支撑力主要作用是承受人体体重，左右方向的切向力主要作用是保持人体平衡，前后方向的切向力主要是行走时的加减速。足底竖直方向上的支撑力能反映人步行时脚对地面的压力变化，进而判断人当前处于哪个步态周期，从而为柔性下肢外骨骼提供助力参考。

[0008] 在老年人日常的步行运动中，若一只脚正处于摆动相，另一只脚则必处于支撑相。摆动相时单足足底压力数据约等于零，可忽略不计，因此只需研究在支撑相内不同时间节点的足底压力步即可。将支撑相进一步划分为足跟触地、足尖触地、足跟离地和足尖离地四个节点和对应的子阶段。如前所述，步行是规律性的运动，因此支撑相内足底压力也呈现周期性的规律，只要分析足底压力，便可判断当前用户的步态状况，从而提供有效、安全、精准的助力效果。

[0040] 本申请实施例通过提供一种柔性驱动的下肢助力外骨骼，解决了现有技术中舒适性差、难以携带、价格昂贵的技术问题，通过足部机构的传感器2、气囊驱动部件以及控制组件之间的配合实现步行助力，且气囊驱动部件采用气囊结构，柔性质感提高用户舒适性，且结构成本低，质量轻盈，减少用户负担，便于携带，有利于提高使用灵活性。

[0041] 本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

[0042] 一种柔性驱动的下肢助力外骨骼，其包括上肢机构、下肢助力机构以及足部机构；上肢机构装设有控制组件，控制组件包括控制器1和气泵组件；下肢助力机构装设在人体大腿的后侧，下肢助力机构包括气囊驱动部件，气囊驱动部件用于驱使人体下肢抬起或放下；
足部机构包括传感器2，传感器2与控制器1信号连接，传感器2用于感应人体足底压力并发送给控制器1；气泵组件用于为气囊驱动部件提供气压，控制器1与气泵组件电连接。具体地，气囊驱动部件设置有两个，两个气囊驱动部件分别布置在人体两条大腿的后侧，本申请实施例工作时，控制器1启动气泵组件，分别为两个气囊驱动部件提供气体使其膨胀以抬高人体大腿或者排出气体使其收缩以放下人体大腿；控制器1驱使两个气囊驱动部件分别单独工作，传感器2用于感应人体足底压力并发送给控制器1，根据足底压力信号判断用户是否有迈步意图或正在迈步；若有，控制器1通过气泵组件驱使该下肢对应的气囊驱动部件膨胀，以实现气囊驱动部件以膨胀状态驱使用户下肢抬起；根据足底压力信号判断用户是否将要结束迈步或不在迈步，若是，控制器1通过气泵组件使得气囊驱动部件内的气体排出，以实现气囊驱动部件以收缩状态将用户下肢放下；本申请实施例通过足部机构的传感器2、气囊驱动部件以及控制组件之间的配合实现步行助力，且气囊驱动部件采用气囊结构，柔性质感提高用户舒适性，且结构成本低，质量轻盈，减少用户负担，便于携带，有利于提高使用灵活性。

[0043] 为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

[0044] 实施例一

[0045] 本申请实施例一中，足部机构包括压力鞋垫6，传感器2设置有多个，多个传感器2布置在压力鞋垫6内。其中，足部机构还包括足环7，足环7内装设有内置电池、数据传输中继器以及下位机，足环7的一侧设置有足部绑带8，内置电池用于为数据传输中继器以及下位机供电，传感器2为压力传感器2，传感器2与下位机信号连接，下位机用于读取传感器2的压力信号数据并传输至数据传输中继器，数据传输中继器用于以无线通信方式将压力信号数据发送给控制器1；进一步的，足环7内置足底压力采集芯片，足底压力采集芯片分别与内置电池、数据传输中继器以及下位机电连接，压力鞋垫6为硅胶材料，传感器2设置有多个，多个传感器2均匀镶嵌在压力鞋垫6内；其中，足部绑带8可以为弹性绑带或者可调节松紧度绑带。

[0046] 上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

[0047] 具体地，在上述设置下，利用足部绑带8方便将足环7固定在用户脚踝处，方便下位机与传感器2之间的通信，当下位机读取到传感器2检测到的足底压力信号数据，下位机将压力信号数据传输到数据传输中继器，数据传输中继器将相应的压力信号数据发送给控制器1，控制器1根据足底压力信号数据来控制气泵组件工作。

[0048] 实施例二

[0049] 本申请实施例二中，上肢机构还包括背板3，该背板3采用聚氨酯材料，兼具轻盈和坚固性，且背板3上均匀设置有多个透气孔，有利于提高人体背部的透气性，控制组件装设在所述背板3上，背板3设置有预留安装孔位用于安装控制组件，背板3还装设有肩部绑带4和腰部绑带5，肩部绑带4与人体肩部对应设置，腰部绑带5与人体腰部对应设置；其中，肩部绑带4、腰部绑带5可以为弹性绑带或者可调节松紧度绑带。

[0050] 上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

[0051] 具体地，在上述设置下，方便将上肢机构挂靠在人体背部，不易掉落，结构稳定。

[0052] 实施例三

[0053] 本申请实施例三中，气囊驱动部件包括腿部基带9以及装设在腿部基带9背面的气囊涨缩组件10，气囊涨缩组件10处于膨胀状态时将用户下肢抬起，气囊涨缩组件10处于收缩状态时将用户下肢下放。其中，腿部基带9的前端面的上端和下端分别设置有腿部固定绑带14，腿部固定绑带14可以为弹性绑带或者可调节松紧度绑带。

[0054] 进一步的，气囊涨缩组件10包括两个L型气囊11以及多个中间气囊12，两个L型气囊11和多个中间气囊12呈一列式等间隔设置在腿部基带9的背面上，两个L型气囊11分别布置在腿部基带9背面的上端和下端，L型气囊11的一侧与腿部基带9固定连接，L型气囊11的另一侧为自由端，多个中间气囊12位于两个L型气囊11之间，中间气囊12的一端边缘与腿部基带9连接。

[0055] 上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

[0056] 具体地，在上述设置下，当使用本申请实施例时，用户两只大腿各布置一气囊驱动部件，气囊驱动部件布置在人的大腿后侧，腿部基带9紧密贴合人的大腿后侧，优选地，腿部基带9的上端位置位于臀部或者腰部或者两者之间；在未对L型气囊11和中间气囊12充入气体时，气囊彼此之间没有挤压；在工作时，气泵组件输入气体进入上端的L型气囊11进行充气，气体再进入多个中间气囊12中进行充气，气体最后进入下端的L型气囊11进行充气，L型气囊11和腿部基带9的上端位置位于臀部或者腰部或者两者之间，即上端的L型气囊11也位于该处，当L型气囊11充气膨胀时，L型气囊11的固定端(L型气囊11与腿部基带9固定连接的一侧)和自由端(L型气囊11的另一侧)同时膨胀，但固定端受到来自腿部基带9的约束，因此只能向外侧膨胀，L型气囊11的自由端同时受到来自中间气囊12和L型气囊11固定端的挤压力，从而将力(力矩)传递给固定端，换而言之，L型气囊11的固定端为驱动阵列提供了良好的着力点，进一步的，多个中间气囊12依排列方向从上至下依次膨胀，彼此之间挤压产生挤压力，形成可传递力的桥式连续结构，在可传递力的桥式连续结构下，使得力从腰部或者臀部传递至腿部，辅助用户大腿抬起，实现步行助力。

[0057] 实施例四

[0058] 本申请实施例四中，控制组件还包括电源模组17和导气管组件，气泵组件包括气泵本体15和气阀组件，控制器1与气泵本体15、气阀组件电连接，气泵本体15通过气阀组件与导气管组件连接，导气管组件与气囊涨缩组件10连接，电源模组17用于为控制器1、气泵本体15和气阀组件供电；气泵本体15、气阀组件以及导气管组件分别设置有两个，气泵本体15、气阀组件、导气管组件以及气囊驱动部件一一对应。具体地，在上述设置下，气泵本体15通过气阀组件与导气管组件连接，导气管组件与气囊驱动部件连接，控制器1通过控制气泵本体15和气阀组件的启动和关闭来实现控制气囊驱动部件的膨胀和收缩。

[0059] 当然，控制器1还可以设置有无线通信模块；通过无线通信模块可以与外部智能终端进行连接，方便控制，亦可以方便远程监控和通过智能终端进行控制，提高智能化。

[0060] 在本申请实施例四中，每个气阀组件只包括一个比例气阀18，每个导气管组件包括一个导气管道16，一个导气管道16与一个气囊驱动部件内的全部L型气囊11和中间气囊12连通，气泵本体15通过比例气阀18与导气管道16连接，实现为一个气囊驱动部件内的全部L型气囊11和中间气囊12提供气源，在比例气阀18的作用下实现控制气流的流量和方向，实现L型气囊11和中间气囊12的膨胀和收缩。

[0061] 实施例五

[0062] 本申请实施例五中，腿部基带9的背面还活动设置有多个活动支架13，多个活动支架13呈一列式等间隔设置，活动支架13与中间气囊12一一对应，活动支架13与中间气囊12的一端边缘连接。优选地，中间气囊12为矩形状、椭圆状或者圆形状。具体地，在上述设置下，活动支架13可活动连接于腿部基带9的背面，当然活动支架13亦可以通过缝纫的方式连接在腿部基带9的背面，活动支架13与中间气囊12一一对应连接，当中间气囊12膨胀时，方便多个中间气囊12之间的相互活动挤压。

[0063] 进一步的，活动支架13包括两个呈正对设置的活动连接件21，两个活动连接件21的一端分别与腿部基带9的背面进行连接，两个活动连接件21的另一端之间形成连接间隙，两个中间气囊12的一端边缘连接于两个活动连接件21的另一端之间形成的连接间隙中。具体地，中间气囊12由两片不可伸缩的TPU柔性织物热压粘接而成，中间气囊12的侧面穿入导气管组件，实现气囊的充放气，气囊的外边缘通过热压粘接密封后再连接于两个活动连接件21的另一端之间形成的连接间隙中，安装精确、便捷。优选地，活动连接件21为可形变材质，如：TPU柔性织物。

[0064] 本申请实施例中，两个活动连接件21之间呈三角形布置。具体地，在上述设置下，有利于提高活动连接件21与中间气囊12之间连接的稳定性和可靠性。

[0065] 当然，活动连接件21可以为柔性布料材质或者弹性材质；弹性材质的活动连接件21具备弹性恢复能力，使得L型气囊11、中间气囊12膨胀相互挤压活动时，活动连接件21在其弹性下产生形变，当L型气囊11、中间气囊12收缩时，活动连接件21在其弹性恢复力下带动中间气囊12复位。

[0066] 实施例六

[0067] 本申请实施例六中，与实施例四的区别在于：每个气阀组件包括一个比例气阀18、一个三通接头19和一个开关气阀20；每个导气管组件包括两个导气管道16：第一导气管道和第二导气管道；一个气囊驱动部件内的全部L型气囊11和中间气囊12平均划分为第一气囊组和第二气囊组，优选地，第一气囊组和第二气囊组之间的中间气囊12呈交错间隔分布，即第一气囊组内的相邻两个中间气囊12之间布置有第二气囊组的一个中间气囊12，同理，即第二气囊组内的相邻两个中间气囊12之间布置有第一气囊组的一个中间气囊12(当然，亦可以将多个从上至下的中间气囊12按照奇数和偶数分为第一气囊组和第二气囊组)；气泵本体15的输出端分别与比例气阀18的输入端连接，比例气阀18的输出端通过三通接头19分别与第二导气管道和开关气阀20连通，比例气阀18通过第二导气管道与第二气囊组连接，三通接头19与第二导气管道连接，开关气阀20的输出端通过第一导气管道与第一气囊组连接；进一步的，第一导气管道与上端的L型气囊11以及第二气囊组内的多个中间气囊12连通，第一导气管道与第二气囊组内的多个中间气囊12和下端的L型气囊11连通；即第一气囊组和第二气囊组之间的气流并不相通。

[0068] 具体地，在上述设置下，工作时，为了提高气泵本体15的充气效率，采取预充气模式，即开始工作时，气泵本体15启动输出气体，比例气阀18和开关气阀20打开，对第一气囊组内的气囊进行充气，当开关气阀20处于关状态时，能够保持第一气囊组内的气囊始终保持充气状态，保证气压恒定；第二气囊组内的气囊，在比例气阀18的作用下，随着用户步态的实施控制器1根据传感器2的反馈进行交替充放气，即当需要抬起大腿时，通过比例气阀18通入气体至第二气囊组内的气囊使其膨胀辅助抬起大腿，当大腿需要放下时，比例气阀
18调整输入至第二气囊组内的气体压力，方便大腿下放；其中，比例气阀18接收来自控制器
1的指令信号，经比例放大器进行功率放大，并按比例输出电流给比例气阀18的比例电磁铁，比例电磁铁输出力并按比例移动阀芯的位置，即可使得比例气阀18按比例控制气流的流量和方向。

[0069] 实施例七

[0070] 本申请实施例七中，控制器1读取足底压力信号并进行无监督学习，不断将实时信号与数据库中的足底压力信号比较，判断当前人体步态周期。在附图7的用户步态示意图与附图8的控制流程图中给出了用户从静止到运动再到静止的步态示意，下面结合控制流程图给出详细说明：

[0071] 在穿戴、启动①步骤，电源模块，控制器发送指令打开比例气阀和开关气阀并将比例气阀上限气压设为1MPa，打开气泵本体，气流流入预充气组(第一气囊组)和随动充气组(第二气囊组)使L型气囊和中间气囊充气驱使气囊涨缩组件弯曲，随后控制器1将关闭开关气阀并将比例气阀的气压设置为0，预充气组(第一气囊组)气压保持为1MPa，随动充气组(第二气囊组)中的气体沿原路返回经比例气阀溢出，随后将外骨骼穿戴于用户身上并确保固定良好；

[0072] 在抬右腿②环节，控制器接收压力鞋垫采集到的足底压力信号并识别此步态，控制器1将比例气阀上限气压设为1MPa，气流经三通接头流入随动充气组并使其气囊气压升高驱使气囊涨缩组件弯曲为抬腿提供助力；

[0073] 在展右腿③环节，右腿的随动充气组内气压达到峰值1MPa；

[0074] 在落右腿④环节，控制器将比例气阀上限气压设为0MPa，右腿的随动充气组气压降为0，同时将左腿的比例气阀上限气压设为1MPa；

[0075] 在抬左腿⑤环节，左腿的随动充气组内气压逐渐上升，为抬左腿提供助力；

[0076] 在展左腿⑥环节，左腿的随动充气组内气压达到峰值1MPa；

[0077] 在落左腿⑦环节，控制器将左腿的比例气阀上限气压设为0MPa，左腿的随动充气组气压降为0，同时将右腿的比例气阀上限气压设为1MPa；

[0078] 在抬右腿②环节，右腿的随动充气组内气压逐渐上升为抬腿提供助力；

[0079] 在停止⑧环节，控制器1将左、右腿的比例气阀的上限气压值均设为0，关闭电源模块，气囊驱动部件中所有的气囊气压均降为0。

[0080] 本申请实施例具有以下有益效果：

[0081] 本申请实施例适用于老年人、因运动或疾病等原因下肢正常行走功能部分减弱或丧失的人群，柔性下肢助力外骨骼能作为康复训练工具或日常穿戴的一部分，对用户的行走起到省力、稳定的作用。

[0082] 本申请实施例的柔性驱动方式采用气泵驱动，克服了传统外骨骼采用刚性电机的驱动方式，扭矩大的技术问题；

[0083] 本申请实施例的柔性驱动方式对不同体型差异的用户具有良好的适应性，气囊驱动部件结构轻盈，便于携带和使用。

[0084] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0085] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

[0086] 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，倘若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。