人体下肢运动助力装置的制作方法

本发明涉及运动助力装置，尤其是一种人体下肢运动助力装置。

背景技术：

可穿戴式外骨骼装置中需要准确实时测量穿戴者下肢运动意图，以感知穿戴者当前运动状况，从而实施相关驱动控制，以实现良好的人机协调及为穿戴者提供运动助力功能。

现有技术中，有许多采用足底压力传感器、多个倾角传感器或腰部背部压力传感共同判断穿戴者下肢运动意图，如专利CN200680006514.1、CN201310711420.6、CN201410491075.4等，这些技术方案过于复杂，尤其是在穿戴者运动时带来人机相互受力的异常复杂受力及倾角变化情况，控制系统难以有效实施控制。

另一些技术提到采用角度传感器辅助实施控制，如哈尔滨工业大学2011年硕士论文《外骨骼下肢助力机器人技术研究》中提到通过采用航姿传感器测量穿戴者大小腿之间倾角差来计算穿戴者膝关节角度，该方法没有提及测量角速度，也没有提及测量人体下肢角度与外骨骼腿部相对偏差，其结论是穿戴者感觉不适，距离运动助力尚有距离；专利201410491096.6中提到采用角度传感器，安装在足部用来计算小腿杆受力情况，其控制系统获取穿戴者运动意图仍然是基于足部、腰部及背部压力传感，控制系统复杂、难以达到较好效果；专利CN201180061461.4和US007153242B2中提到每个关节配备有角度传感器，用来测量各个关节的角度，其系统获取穿戴者下肢运动意图则是基于穿戴者操作拐杖的动作，该方法不适合本发明所涉及的穿戴者不需要使用拐杖情形。

还有一些技术采用角速度传感器探测外骨骼装置腿部运动并实施控制，专利CN201380058337.1提到在外骨骼的腿部安装传感器测量其夹角、夹角变化速度以及相对于重力线的绝对角度。该技术探测的是外骨骼装置的腿部伸展及弯曲变化及变化趋势，并不能探测穿戴者人体运动变化状况，从而也无从得知穿戴者运动意图，该装置难以达到较好的穿戴体验。专利CN201310384919.0提到在外骨骼大腿和小腿处设置角速度陀螺仪，用来测量膝关节弯曲角速度，该方法探测的也是外骨骼装置的膝关节弯曲角速度，无法获知穿戴者运动意图。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以及时准确地检测穿戴者腿部相对于助力装置的运动趋势，能够消除穿戴者运动时助力装置与穿戴者之间的相互作用力影响的运动助力装置。

一种人体下肢运动助力装置，包括腿部连杆，所述腿部连杆包括大腿杆和小腿杆，所述大腿杆的底端与小腿杆的顶端通过膝关节轴连接；还包括用于将所述腿部连杆固定于穿戴者腿部上的固定装置，所述固定装置通过转轴与所述腿部连杆连接；在所述转轴或所述固定装置上安装有能够测量所述固定装置旋转角速度的固定装置角速度传感器；所述固定装置角速度传感器电路连接控制系统；动力系统能够在所述控制系统的控制下驱动所述腿部连杆的伸展或弯曲。

本发明的有益效果是：由于固定装置与穿戴者的腿部是固定连接的，所以固定装置角速度传感器测得的固定装置的旋转角速度也就是穿戴者的腿部旋转角速度；穿戴者下肢通过固定装置与腿部连杆耦合，由于固定装置是通过转轴与腿部连杆连接，因此固定装置相对于腿部连杆可以自由转动，从而可以传递腿部连杆的转动趋势，也就能传递穿戴者的运动意图；转轴还可以承受径向方向的拉力和压力，可以有效传递固定装置的助力或其他力量； 固定装置角速度传感器能够准确的测量固定装置的旋转角速度，也就是穿戴者腿部的旋转角速度，进而捕获穿戴者运动意图；采用角速度传感器感知运动意图较灵敏，可以加快动力系统响应速度，避免了刚性的动力系统阻碍穿戴者运动意图，提高其与穿戴者运动协调性，有效地解决了运动时各种力对穿戴者传达运动意图的干扰。

进一步的，固定装置包括大腿绑带和/或小腿绑带；所述大腿绑带通过大腿绑带轴与所述大腿杆连接，所述小腿绑带通过小腿绑带轴与所述小腿杆连接；所述大腿绑带或所述大腿绑带轴上设置有能够测量所述大腿绑带旋转角速度的大腿绑带角速度传感器和/或所述小腿绑带或所述小腿绑带轴上设置有能够测量所述小腿绑带旋转角速度的小腿绑带角速度传感器；所述大腿绑带角速度传感器和/或所述小腿绑带角速度传感器电路连接控制系统。

采用上述进一步方案的有益效果是：由于大腿绑带和小腿绑带与穿戴者的腿部是固定连接的，所以大腿绑带角速度传感器测得的大腿绑带的旋转角速度也就是穿戴者的大腿部旋转角速度；小腿绑带角速度传感器测得的小腿绑带的旋转角速度也就是穿戴者的小腿部旋转角速度。穿戴者下肢通过大腿绑带和小腿绑带与大腿杆和小腿杆耦合，由于大腿绑带和小腿绑带是通过大腿绑带轴和小腿绑带轴与大腿杆和小腿杆连接，因此大腿绑带和小腿绑带相对于大腿杆和小腿杆可以自由转动，从而可以传递腿部连杆的转动趋势，也就能传递穿戴者的运动意图；大腿绑带轴和小腿绑带轴还可以承受径向方向的拉力和压力，可以有效传递大腿杆和小腿杆的助力或其他力量；大腿绑带角速度传感器和/或所述小腿绑带角速度传感器能够准确的测量大腿绑带和/或小腿绑带的旋转角速度，也就是穿戴者大腿和/或大腿的旋转角速度，进而捕获穿戴者运动意图；采用角速度传感器感知运动意图较灵敏，可以加快动力系统响应速度，避免了刚性的动力系统阻碍穿戴者运动意图，提高其与穿戴者运动协调性，有效地解决了运动时各种力对穿戴者传达运动意图的干 扰。

进一步的，在所述大腿绑带或所述大腿绑带轴上设置有能够测量所述大腿绑带旋转角度的大腿绑带角度传感器和/或在所述小腿绑带或所述小腿绑带轴上设置有能够测量所述小腿绑带旋转角度的小腿绑带角度传感器；所述大腿绑带角度传感器和/或所述小腿绑带角度传感器电路连接控制系统。

采用上述进一步方案的有益效果是：设置大腿绑带角度传感器和/或小腿绑带角度传感器，对穿戴者的大腿和/或小腿相对于大腿杆和/或小腿杆的旋转角度得到有效的测试，并反馈给控制系统，使控制系统更加准确的控制动力系统驱动腿部连杆的伸展或弯曲。进一步的避免了刚性的动力系统阻碍穿戴者运动意图，提高其与穿戴者运动协调性，有效地解决了运动时各种力对穿戴者传达运动意图的干扰。

进一步的，所述大腿杆或所述小腿杆或所述膝关节轴上设置有能够测量大腿杆与小腿杆夹角的膝关节轴角度传感器；所述膝关节轴角度传感器电路连接控制系统。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述膝关节轴角度传感器可以测量大、小腿杆之间的夹角并传输给控制系统，控制系统通过对比大、小腿杆的夹角与腿部连杆的转动角度可以检测出人机协同性，避免产生累计误差，提高人体下肢运动助力装置与穿戴者的协调性，提高人体下肢运动助力装置的稳定性和可靠性。

进一步的，所述大腿绑带轴和/或小腿绑带轴上设置有测量大腿绑带和/或小腿绑带张力的张力传感器；所述张力传感器电路连接控制系统。

采用上述进一步方案的有益效果是：在绑带轴上安装张力传感器，可以测量人体腿部与大腿杆和小腿杆之间的相互协调程度，人机协调差则张力传感器测量到的张力会越大，反之则越小；通过张力传感器可以辅助监测控制系统的控制效果，使控制系统控制动力系统的动力输出大小，避免产生累计 误差，提高人体下肢运动助力装置与穿戴者的协调性，提高人体下肢运动助力装置的稳定性和可靠性。

优选的，所述张力传感器包括至少一根应变梁和至少两个应变片，所述至少两个应变片粘帖在所述应变梁侧面，所述应变梁中部与所述大腿绑带轴和/或小腿绑带轴固定连接，所述应变梁两端与所述大腿绑带和/或小腿绑带固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：提供了一种结构简单，加工制造成本低且容易固定的张力传感器。

进一步的，还包括大腿杆角速度传感器和/或小腿杆角速度传感器，所述大腿杆角速度传感器固定安装在大腿杆上，所述小腿杆角速度传感器固定安装在小腿杆上；所述大腿杆角速度传感器和/或所述小腿杆角速度传感器电路连接控制系统。

采用上述进一步方案的有益效果是：在大、小腿杆上均安装角速度传感器，能够测量大、小腿杆的旋转角速度，其测量信号传输至所述控制系统，所述控制系统通过计算大腿杆的旋转角速度和大腿的旋转角速度之差、小腿杆的旋转角速度和小腿的旋转角速度之差，可获知人体腿部相对于腿部连杆的相对运动角速度；控制系统依据此角速度可以控制动力系统驱动腿部连杆跟随或超越人体大小腿运动，从而取得随动或助力效果。

进一步的，还包括设置在髋关节轴或腰部绑带上能够测量腰部绑带旋转角速度的腰部角速度传感器，所述腰部绑带通过髋关节轴与大腿杆顶部相连；所述腰部角速度传感器电路连接控制系统。

采用上述进一步方案的有益效果是：穿戴者的腰部弯曲或伸展会带动腰部结构绕髋关节轴转动。在腰部结构上安装角速度传感器，可以测量人体腰部的转动角速度，控制系统通过计算腰部角速度传感器与大腿绑带角速度传感器检测值之差，可以获得人体腿部与人体上肢相对角速度，从而可以辅助 判断人体运动姿态。

进一步的，还包括足部连接结构，所述足部连接结构通过踝关节轴与所述小腿杆底端相连，在所述踝关节轴或足部连接结构上安装有能够测量足部连接结构旋转角速度的足部角速度传感器；所述足部角速度传感器电路连接控制系统。

采用上述进一步方案的有益效果是：足部连接结构与穿戴者足部紧密耦合，且可以绕踝关节轴自由转动，穿戴者足部弯曲或伸展会带动足部连接结构绕踝关节轴转动。在足部连接结构上安装角速度传感器，可以测量穿戴者足部的转动角速度，控制系统通过计算足部角速度传感器与小腿绑带角速度传感器检测值之差，可以获得人体腿部与人体足部相对角速度，从而可以辅助判断人体运动姿态。

进一步的，还包括设置在所述大腿杆与所述大腿绑带轴之间和/或所述小腿杆与所述小腿绑带轴之间、能够促使所述大腿绑带轴和/或所述小腿绑带轴回复到初始位置的扭转回复装置。

采用上述进一步方案的有益效果是：在所述腿部连杆与所述转轴之间设置有扭转回复装置可以有助于穿戴者与助力装置之间加快回复协调状态，改善穿戴体验。

优选的，所述扭转回复装置为扭簧、弹簧或板簧。

优选的，所述大腿绑带角速度传感器和/或所述小腿绑带角速度传感器和/或大腿杆角速度传感器和/或小腿杆角速度传感器和/或腰部角速度传感器和/或足部角速度传感器为陀螺仪。

优选的，所述陀螺仪为MEMS陀螺仪。

附图说明

图1为本发明人体下肢运动助力装置工作状态时的结构示意图；

图2为本发明中张力传感器结构及安装方式结构示意图；

图3为本发明中大腿绑带角速度传感器与大腿绑带角度传感器安装方式结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、大腿杆，2、小腿杆，3、膝关节轴，4、大腿绑带，5、小腿绑带，6、大腿绑带轴，7、小腿绑带轴，8、髋关节轴，9、腰部绑带，10、足部连接结构，11、踝关节轴，12、应变梁，13、应变片，14、大腿绑带角速度传感器，15、大腿绑带角度传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种人体下肢运动助力装置，包括腿部连杆，所述腿部连杆包括大腿杆1和小腿杆2，所述大腿杆1的底端与小腿杆2的顶端通过膝关节轴3连接；还包括用于将所述腿部连杆固定于穿戴者腿部上的固定装置，所述固定装置通过转轴与所述腿部连杆连接；在所述转轴或所述固定装置上安装有能够测量所述固定装置旋转角速度的固定装置角速度传感器；所述固定装置角速度传感器电路连接控制系统；动力系统能够在所述控制系统的控制下驱动所述腿部连杆的伸展或弯曲。由于固定装置与穿戴者的腿部是固定连接的，所以固定装置角速度传感器测得的固定装置的旋转角速度也就是穿戴者的腿部旋转角速度；穿戴者下肢通过固定装置与腿部连杆耦合，由于固定装置是通过转轴与腿部连杆连接，因此固定装置相对于腿部连杆可以自由转动，从而可以传递腿部连杆的转动趋势，也就能传递穿戴者的运动意图；转轴还可以承受径向方向的拉力和压力，可以有效传递固定装置的助力或其他力量；固定装置角速度传感器能够准确的测量固定装置的旋转角速度，也就是穿戴者腿部的旋转角速度，进而捕获穿戴者运动意图；采用角速度传感器感知运动意图较灵敏，可以加快动力系统响应速度，避免了刚性的动力系 统阻碍穿戴者运动意图，提高其与穿戴者运动协调性，有效地解决了运动时各种力对穿戴者传达运动意图的干扰。本申请中的动力系统部分，已经在本申请人的在先申请中详细记载，因此在本申请中不在赘述。

在具体实施时，固定装置包括大腿绑带4和/或小腿绑带5；所述大腿绑带4通过大腿绑带轴6与所述大腿杆1连接，所述小腿绑带5通过小腿绑带轴7与所述小腿杆2连接；所述大腿绑带4或所述大腿绑带轴6上设置有能够测量所述大腿绑带4旋转角速度的大腿绑带角速度传感器14和/或所述小腿绑带5或所述小腿绑带轴7上设置有能够测量所述小腿绑带5旋转角速度的小腿绑带角速度传感器；所述大腿绑带角速度传感器14和/或所述小腿绑带角速度传感器电路连接控制系统。

上述技术方案中包括了三种具体的技术方案：第一种是只设置有能够测量大腿绑带4旋转角速度的大腿绑带角速度传感器14，第二种是只设置有能够测量小腿绑带5旋转角速度的小腿绑带角速度传感器，第三种是同时设置有大腿绑带角速度传感器14和小腿绑带角速度传感器。

由于大腿绑带4和小腿绑带5与穿戴者的腿部是固定连接的，所以大腿绑带角速度传感器14测得的大腿绑带4的旋转角速度也就是穿戴者的大腿的旋转角速度；小腿绑带角速度传感器测得的小腿绑带5的旋转角速度也就是穿戴者的小腿部旋转角速度。穿戴者下肢通过大腿绑带4和小腿绑带5与大腿杆1和小腿杆2耦合，由于大腿绑带4和小腿绑带5是通过大腿绑带轴6和小腿绑带轴7分别与大腿杆1和小腿杆2连接，因此大腿绑带4和小腿绑带5相对于大腿杆1和小腿杆2可以自由转动，从而可以传递腿部连杆的转动趋势，也就能传递穿戴者的运动意图；大腿绑带轴6和小腿绑带轴7还可以承受径向方向的拉力和压力，可以有效传递给大腿杆1和小腿杆2的助力或其他力量；大腿绑带角速度传感器14和/或所述小腿绑带角速度传感器能够准确的测量大腿绑带4和/或小腿绑带5的旋转角速度，也就是穿戴者 大腿和/或大腿的旋转角速度，进而捕获穿戴者运动意图；采用角速度传感器感知运动意图较灵敏，可以加快动力系统响应速度，避免了刚性的动力系统阻碍穿戴者运动意图，提高其与穿戴者运动协调性，有效地解决了运动时各种力对穿戴者传达运动意图的干扰。

在实际应用时，在所述大腿绑带4或所述大腿绑带轴6上设置有能够测量所述大腿绑带4旋转角度的大腿绑带角度传感器和/或在所述小腿绑带5或所述小腿绑带轴7上设置有能够测量所述小腿绑带5旋转角度的小腿绑带角度传感器；所述大腿绑带角度传感器和/或所述小腿绑带角度传感器电路连接控制系统。此技术方案中也包括了三种具体的技术方案：第一种是只设置有能够测量大腿绑带旋转角度的大腿绑带角度传感器，第二种是只设置有能够测量小腿绑带旋转角度的小腿绑带角度传感器，第三种是同时设置有大腿绑带角度传感器和小腿绑带角度传感器。

由于角速度传感器的设置方式有三种，角度传感器的设置方式也有三种，因此一种有多种不同组合方式的具体技术方案。

如图3所示，实际应用时，在大腿绑带轴6与大腿绑带4紧贴的端面上设置有凹槽，将大腿绑带角速度传感器14设置在上述凹槽内；在大腿绑带轴6与大腿杆1紧贴的侧面设置有凹槽，将大腿绑带角度传感器15设置在上述凹槽内。小腿绑带角速度传感器的设置方式与大腿绑带角速度传感器14设置方式完全一样，小腿绑带角度传感器的设置方式与大腿绑带角度传感器15设置方式完全一样，因此附图中只表示出大腿绑带角速度传感器14与大腿绑带角度传感器15的安装结构示意图。

在上述多种不同组合的具体技术方案的基础上还可以进行进一步的改进。

第一种改进方法，在所述大腿杆1或所述小腿杆2或所述膝关节轴3上设置有能够测量大腿杆1与小腿杆2夹角的膝关节轴角度传感器；所述膝关 节轴角度传感器电路连接控制系统。

第二种改进方法，所述大腿绑带轴6和/或小腿绑带轴7上设置有测量大腿绑带4和/或小腿绑带5张力的张力传感器；所述张力传感器电路连接控制系统。

所述张力传感器包括至少一根应变梁12和至少两个应变片13，所述至少两个应变片13粘帖在所述应变梁12侧面，所述应变梁12中部与所述大腿绑带轴6和/或小腿绑带轴7固定连接，所述应变梁12两端与所述大腿绑带4和/或小腿绑带5固定连接。

如何2所示，是张力传感器安装于大腿绑带4与大腿绑带轴6上的结构示意图，由于张力传感器设置在小腿绑带5与大腿绑带轴7上的结构与大腿绑带4与大腿绑带轴6上的结构完全相同，因此只表示出其中一种。所述张力传感器包括至少一根应变梁12和至少两个应变片13，所述至少两个应变片13粘帖在所述应变梁12侧面，所述应变梁12中部与所述转轴固定连接，所述应变梁12两端与所述腿部绑带固定连接。当大腿绑带4与大腿绑带轴6相对转动时，当小腿绑带5与小腿绑带轴7相对转动时，连接有转轴和腿部绑带的应变梁12发生形变，应变梁12上的应变片13同样会产生形变，并将所述形变信号传输给控制器。

第三种改进方法，还包括大腿杆角速度传感器和/或小腿杆角速度传感器，所述大腿杆角速度传感器固定安装在大腿杆1上，所述小腿杆角速度传感器固定安装在小腿杆2上；所述大腿杆角速度传感器和/或所述小腿杆角速度传感器电路连接控制系统。

第四种改进方法，还包括设置在髋关节轴8或腰部绑带9上能够测量腰部绑带旋转角速度的腰部角速度传感器，所述腰部绑带9通过髋关节轴8与大腿杆1顶部相连；所述腰部角速度传感器电路连接控制系统。

第五种改进方法，还包括足部连接结构10，所述足部连接结构10通过 踝关节轴11与所述小腿杆2底端相连，在所述踝关节轴11或足部连接结构10上安装有能够测量足部连接结构10旋转角速度的足部角速度传感器；所述足部角速度传感器电路连接控制系统。

第六种改进方法，还包括设置在所述大腿杆1与所述大腿绑带轴6之间和/或所述小腿杆2与所述小腿绑带轴7之间、能够促使所述大腿绑带轴6和/或所述小腿绑带轴7回复到初始位置的扭转回复装置。所述扭转回复装置为扭簧、弹簧或板簧。具体应用时，可以将扭簧或弹簧套设在转轴上，并且一端与转轴固定连接，另一端与腿部连杆固定连接；腿部连杆在旋转时会使扭簧或弹簧的弹力发生变化，扭簧或弹簧的弹力会促使转轴回复到初始位置。

在实际应用中，所述大腿绑带角速度传感器14和/或所述小腿绑带角速度传感器和/或大腿杆角速度传感器和/或小腿杆角速度传感器和/或腰部角速度传感器和/或足部角速度传感器通常选用为陀螺仪。优选的，所述陀螺仪为MEMS陀螺仪。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。