一种单下肢外骨骼矫形器及矫形控制方法与流程

本发明涉及矫形器技术领域，尤其涉及一种单下肢外骨骼矫形器及矫形控制方法。

背景技术：

人体下肢外骨骼矫形器是一款可穿戴的机械助力装置，主要应用在军事和医疗领域，其中在军事领域，是用来协助军人携带超人体负荷的武器，而在医疗领域，主要作为医疗康复用具，辅助病人进行康复。因此，基于上述应用，人体下肢外骨骼矫形器需要具备穿戴灵活，穿着舒适，质量轻便等特点，穿着外骨骼矫形器后，可以辅助人体行走，或者是人体能在超负荷下行走。

现有下肢外骨骼现有下肢外骨骼矫形器通常采用电机驱动液压缸进行矫形器的调节控制，其中电机带动转盘转动，进而通过连杆推动活塞在液压缸内进行往复运动，从而带动伸缩杆进行伸缩运动，实现肢体运动范围的控制调节。因此，这种结构的矫形器需要采用过重的电源和电机，导致矫形器的整体尺寸和质量较大，不便于用作户外医疗康复，对于单下肢膝伸展肌肉组织完全瘫痪或部分瘫痪的佩戴者，这中结构的矫形器过于冗余。同时这种结构的矫形器，由于需要电机驱动液压缸进行活塞运动，使得人体运动必须配合液压缸伸缩杆的伸缩运动，在液压缸的带动下强行带动人行走，而且无法自行调节和控制行走的速度，然而人体身高尺寸存在差异性，这种主动调节控制方法无法适应人体自身行走需求，容易造成重心不稳，左路姿势僵硬的问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种单下肢外骨骼矫形器及矫形控制方法，解决现有矫形器存在的尺寸和质量较大，电机驱动液压缸进行活塞运动时强行带动人行走，容易造成重心不稳，左路姿势僵硬的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单下肢外骨骼矫形器，包括支撑机构、调节机构和控制机构；

所述支撑机构包括大腿支撑部、小腿支撑部和足底支撑部，其中所述大腿支撑部与所述小腿支撑部通过膝关节转轴连接，所述小腿支撑部与所述足底支撑部通过可调节连接件连接；

所述调节机构包括液压阻尼器，所述液压阻尼器的两端分别连接所述大腿支撑部和所述小腿支撑部，所述液压阻尼器包括活塞缸以及与所述活塞缸连接的比例阀，其中所述活塞缸内设有第一油腔和第二油腔，所述第一油腔中设有第一活塞，所述第一活塞连接活塞杆的第一端，所述活塞杆的第二端伸出所述活塞缸的外部；所述第二油腔中设有第二活塞，所述第二活塞连接弹簧的第一端，所述弹簧的第二端连接所述第二油腔的内壁；所述第一油腔的通油口连接第一油道，所述第二油腔的通油口连接第二油道，所述比例阀设置在所述第一油道与所述第二油道之间；

所述控制机构包括设置在所述足底支撑部的若干足底压力传感器、设置在所述膝关节转轴上的膝关节角度传感器、设置在所述液压阻尼器上的活塞杆推力传感器、以及控制器，其中所述控制器分别连接所述足底压力传感器、所述膝关节角度传感器、所述活塞杆推力传感器和所述比例阀。

进一步地，所述大腿支撑部包括两个平行设置的大腿支撑板，在两个所述大腿支撑板之间连接有若干大腿箍板，所述大腿箍板为与大腿的形状相适配的圆弧形结构，在两个所述大腿支撑板上还设有若干大腿绑带夹，所述大腿绑带夹上可拆卸的连接有大腿绑带，所述控制器安装在所述大腿箍板的外侧。

进一步地，所述小腿支撑部包括两个平行设置的小腿支撑板，在两个所述小腿支撑板之间连接有若干小腿箍板，所述小腿箍板为与小腿的形状相适配的圆弧形结构，在两个所述小腿支撑板上还设有若干小腿绑带夹，所述小腿绑带夹上可拆卸的连接有小腿绑带；所述大腿支撑板与所述小腿支撑板通过所述膝关节转轴连接。

进一步地，所述足底支撑部包括足底支撑板，所述可调节连接件为连接支撑板，所述足底支撑板通过所述连接支撑板与所述小腿箍板连接；所述小腿箍板的外侧设有卡装所述连接支撑板的卡装槽，所述卡装槽设有锁紧所述连接支撑板的锁紧件。

具体地，所述连接支撑板采用碳纤维弹性板，所述连接支撑板上设有多个等间距布置的定位孔，所述锁紧件穿过所述定位孔与所述卡装槽锁紧连接。

具体地，所述小腿支撑板上设有限制所述膝关节弯曲角度的膝关节限位挡板。

具体地，所述活塞缸的两端分别设有端盖和缸盖，所述端盖和所述缸盖上分别设有若干通气孔。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种单下肢外骨骼矫形器的矫形控制方法，该方法采用上述的单下肢外骨骼矫形器进行矫形控制，该方法具体包括如下步骤：

所述足底压力传感器实时检测足底压力数据，并将检测到的足底压力数据传输至所述控制器；

所述膝关节角度传感器实时检测膝盖弯曲角度数据，并将检测到的膝盖弯曲角度数据传输至所述控制器；

所述活塞杆推力传感器实时检测所述液压阻尼器的活塞杆推力数据，并将检测到的活塞杆推力数据传输至所述控制器；

所述控制器实时接收并处理所述的足底压力数据、膝盖弯曲角度数据和活塞杆推力数据，根据处理结果获得人体当前行走状态，将获得的人体当前行走状态与预存在所述控制器中的人体行走步态规律曲线进行拟合分析，获得与所述人体当前行走状态相对应的流量控制信号；

所述控制器向所述液压阻尼器的比例阀发送获得的流量控制信号，根据所述流量控制信号控制所述比例阀。

进一步地，所述控制器控制液压阻尼器的比例阀，具体包括如下步骤：

所述控制器向所述比例阀中的驱动放大器发送流量控制信号；

所述驱动放大器接收到所述流量控制信号，将所述流量控制信号转化为控制电流，并将所述控制电流发送至所述比例阀中的电磁铁；

所述电磁铁接收到所述控制电流，通过所述电磁铁控制磁芯动作，通过所述磁芯的动作控制所述第一油道与所述第二油道之间的阀口开度。

具体地，所述控制器采用控制算法分别对所述的足底压力数据、膝盖弯曲角度数据和活塞杆推力数据进行计算处理，根据计算结果做出动作预判，获得人体当前行走状态；其中所述控制算法为有限状态机控制算法、迭代学习控制算法、模糊自适应控制算法、或专家PID控制算法。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的单下肢外骨骼矫形器及矫形控制方法，通过大腿支撑部、小腿支撑部和足底支撑部将矫形器固定在人体下肢上，通过液压阻尼器中活塞杆的伸缩运动配合人体行走状态，通过足底压力传感器实时测量足底所受压力，通过膝关节角度传感器实时测量膝关节弯曲角度，通过活塞杆推力传感器实时测量阻尼器活塞杆的推力，通过控制器实时接收各个传感器的测量值，并对测量值进行分析做出动作预判，并向液压阻尼器的比例阀发送流量控制信号，所述比例阀根据接收的流量控制信号控制阀口的开度大小来调节第一油道与第二油道之间液压油的流量，进而控制活塞杆的伸缩速率，使得人体行走时更加平稳。

本发明提供的单下肢外骨骼矫形器及矫形控制方法，能够随时感应人体行走状态，随时调节液压阻尼器的伸缩速率，让使用者不再担心自己的行走速度，使得液压阻尼器的活塞运动能够被动的配合人体的行走状态，根据使用者行走速度的快慢来进行随时调节，最大限度保持人体行走自如，保证稳定性。

本发明提供的单下肢外骨骼矫形器及矫形控制方法，与现有矫形器采用过重的电源和电机驱动液压缸的结构形式相比，省去了液压阻尼器的驱动原件，最大程度减轻重量，结构轻巧，便于在户外穿戴。

本发明提供的单下肢外骨骼矫形器及矫形控制方法，在医疗领域主要用于截瘫患者、中风、脊髓损伤以及脑瘫患者的矫形康复治疗，通过本发明能够彻底改变下肢瘫痪患者的康复治疗和日常生活，帮助使用者尽快康复，实现自助行走。

附图说明

图1是本发明实施例一单下肢外骨骼矫形器的结构示意图；

图2是本发明实施例一单下肢外骨骼矫形器的立体结构图；

图3是本发明实施例一单下肢外骨骼矫形器中液压阻尼器的伸展状态示意图；

图4是本发明实施例一单下肢外骨骼矫形器中液压阻尼器的压缩状态示意图。

图中：1：大腿支撑部；101：大腿支撑板；102：大腿箍板；103：大腿绑带夹；104：第一安装件；2：小腿支撑部；201：小腿支撑板；202：小腿箍板；203：小腿绑带夹；204：卡装槽；205：第二安装件；3：足底支撑部；301：足底支撑板；302：连接支撑板；4：膝关节转轴；5：液压阻尼器；501：活塞缸；502：比例阀；503：第一油腔；504：第二油腔；505：第一活塞；506：活塞杆；507：第二活塞；508：弹簧；509：第一油道；510：第二油道；511：端盖；512：缸盖；513：第一连接件；514：第二连接件；6：足底压力传感器；7：膝关节角度传感器；8：活塞杆推力传感器；9：控制器；10：膝关节限位挡板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-4所示，本发明实施例提供的单下肢外骨骼矫形器，包括支撑机构、调节机构和控制机构。

所述支撑机构包括大腿支撑部1、小腿支撑部2和足底支撑部3，其中所述大腿支撑部1与所述小腿支撑部2通过膝关节转轴4连接，所述小腿支撑部2与所述足底支撑部3通过可调节连接件连接。

所述调节机构包括液压阻尼器5，所述液压阻尼器5的两端分别连接所述大腿支撑部1和所述小腿支撑部2。如图3-4所示，所述液压阻尼器5包括活塞缸501以及与所述活塞缸501连接的比例阀502，其中所述活塞缸501内设有第一油腔503和第二油腔504，所述第一油腔503中设有第一活塞505，所述第一活塞505连接活塞杆506的第一端，所述活塞杆506的第二端伸出所述活塞缸501的外部。所述第二油腔504中设有第二活塞507，所述第二活塞507连接弹簧508的第一端，所述弹簧508的第二端连接所述第二油腔504的内壁。所述第一油腔503的通油口连接第一油道509，所述第二油腔504的通油口连接第二油道510，所述比例阀502设置在所述第一油道509与所述第二油道510之间，所述第一油道509与所述第二油道510通过所述比例阀502相连通。

所述控制机构包括设置在所述足底支撑部3的若干足底压力传感器6、设置在所述膝关节转轴4上的膝关节角度传感器7、设置在所述液压阻尼器5上的活塞杆推力传感器8、以及控制器9，其中所述控制器9分别连接所述足底压力传感器6、所述膝关节角度传感器7、所述活塞杆推力传感器8和所述比例阀502。其中所述的足底压力传感器6、膝关节角度传感器7和活塞杆推力传感器8将采集的测量数据实时传送至所述控制器9，通过控制器9进行处理分析后，向所述比例阀502反馈阻尼控制信号。

在本发明实施例中，通过大腿支撑部1、小腿支撑部2和足底支撑部3将矫形器固定在人体下肢上，通过液压阻尼器5中活塞杆506的伸缩运动配合人体行走状态，通过足底压力传感器6实时测量足底所受压力，通过膝关节角度传感器7实时测量膝关节弯曲角度，通过活塞杆推力传感器8实时测量阻尼器活塞杆的推力，通过控制器9实时接收各个传感器的测量值，控制器9对各个测量值进行实时分析做出动作预判，并向液压阻尼器5的比例阀502发送与预判动作相对应的流量控制信号，所述比例阀502根据接收的流量控制信号控制油口的大小来调节液压油的流量，进而控制活塞杆506的伸缩速率，使液压阻尼器5能够更好的配合人体行走，使人体行走时更加平稳。

进一步来说，所述大腿支撑部1包括两个平行设置的大腿支撑板101，在两个所述大腿支撑板101之间连接有若干大腿箍板102，所述大腿箍板102为与大腿的形状相适配的圆弧形结构，在两个所述大腿支撑板101上还设有若干大腿绑带夹103，所述大腿绑带夹103上可拆卸的连接有大腿绑带(图中未示)，通过大腿绑带对大腿进行绑扎固定。

所述小腿支撑部2包括两个平行设置的小腿支撑板201，所述大腿支撑板101与所述小腿支撑板201通过所述膝关节转轴4连接。在两个所述小腿支撑板之间连接有若干小腿箍板202，所述小腿箍板202为与小腿的形状相适配的圆弧形结构，在两个所述小腿支撑板201上还设有若干小腿绑带夹203，所述小腿绑带夹203上可拆卸的连接有小腿绑带(图中未示)，通过小腿绑带对小腿进行绑扎固定。

所述足底支撑部3包括足底支撑板301，所述可调节连接件采用连接支撑板302，所述足底支撑板301通过所述连接支撑板302与所述小腿箍板202连接。所述小腿箍板202的外侧设有卡装所述连接支撑板302的卡装槽204，所述卡装槽204设有锁紧所述连接支撑板302的锁紧件，由于使用者的身高存在差异，可以通过调整所述连接支撑板302在所述卡装槽302中的卡装位置来调整最佳固定位置，进而通过锁紧件进行锁紧固定。

具体来说，所述连接支撑板302采用碳纤维弹性板，在足部落地过程中，通过碳纤维弹性板来储存一部分能量，在离地时释放能量，使人体行走省力，另外避免着地时的刚性接触。

考虑到使用者身高不同，为了使矫形器能够更好的适应不同身高的使用者，进而达到矫形目的，在所述连接支撑板302上设置多个等间距布置的定位孔，当所述连接支撑板302与所述所述小腿箍板202进行连接，根据使用者的身高需求，使所述锁紧件穿过适当的定位孔与所述卡装槽302进行锁紧固定。

考虑到人体在行走过程中膝关节的弯曲角度，在所述小腿支撑板201上设有限制所述膝关节弯曲角度的膝关节限位挡板10，从而避免膝关节弯曲过渡导致的行走不便。

在本发明实施例中，所述控制器9优选安装在所述大腿箍板101的外侧，避免控制器9在人体行走过程中造成干扰。

具体来说，所述液压阻尼器5的活塞缸501两端分别设有端盖511和缸盖512，所述端盖511和所述缸盖512上分别设有若干通气孔，避免活塞运动过程中压缩空气的影响。所述活塞杆506的第一端设有第一连接件513，所述缸盖512上设有第二连接件514，相对应的，在所述大腿支撑板101上设有第一安装件104，所述小腿支撑板201上设有第二安装件205，将所述第一连接件513与所述第一安装件104相连，所述第二连接件514与所述第二安装件205相连，从而实现液压阻尼器在矫形器上的安装操作。

特别地，所述第一油腔503和第二油腔504分别设置在所述比例阀502的左右两侧，所述第二油腔504的横截面大于所述第一油腔503的横截面。

更具体来说，所述比例阀502包括信号输入端和流量控制输出端，其中所述信号输入端设置在所述活塞缸501外部，所述信号输入端包括驱动放大器，所述驱动放大器与外部控制器连接，用于接收所述控制器9发出的流量控制信号。所述流量控制输出端设置在所述活塞缸501内，所述第一油道509与所述第二油道510分别与所述流量控制输出端相连通，所述流量控制输出端包括电磁铁以及与所述电磁铁相配合的磁芯，所述驱动放大器驱动连接所述电磁铁，所述电磁铁控制所述磁芯进行伸缩动作，通过所述磁芯的伸缩动作来控制所述第一油道509与所述第二油道510之间阀口的开度。

实施例二

本发明还提供了一种采用上述实施例一所述的单下肢外骨骼矫形器进行矫形控制的方法，通过大腿支撑部1、小腿支撑部2和足底支撑部3将单下肢外骨骼矫形器固定在人体下肢上，在人体行走过程中，所述液压阻尼器5中活塞杆会配合人体行走状态进行相应的伸缩运动。则所述控制方法具体包括如下步骤：

所述足底压力传感器6实时检测足底压力数据，并将检测到的足底压力数据传输至所述控制器9。

所述膝关节角度传感器7实时检测膝盖弯曲角度数据，并将检测到的膝盖弯曲角度数据传输至所述控制器9。

所述活塞杆推力传感器8实时检测所述液压阻尼器的活塞杆推力数据，并将检测到的活塞杆推力数据传输至所述控制器9。

所述控制器9实时接收所述的足底压力数据、膝盖弯曲角度数据和活塞杆推力数据，并采用控制算法分别对所述的足底压力数据、膝盖弯曲角度数据和活塞杆推力数据进行计算处理，根据计算结果做出动作预判，获得人体当前行走状态，例如直立相、直立到摆动相过渡、摆动相、摆动相到直立相过渡等。其中所述控制算法可以根据实际需求采用有限状态机控制算法、迭代学习控制算法、模糊自适应控制算法、或专家PID控制算法。

所述控制器9将计算获得的人体当前行走状态与预存在控制器9中的人体行走步态规律曲线进行拟合分析，获得与人体当前行走状态相对应的流量控制信号。

所述控制器9向所述液压阻尼器5中的比例阀502发送流量控制信号，根据所述流量控制信号控制所述比例阀502。

在本发明实施例中，通过上述控制方法能够不断纠正人体下肢膝关节的行走状态，实现矫形器随控的被动控制，避免强行带动人体行走，造成重心不稳，走路姿势僵硬的问题。

其中，通过所述控制器9进行液压阻尼器的比例阀控制时，包括如下步骤：

所述控制器9向所述比例阀502中的驱动放大器发送流量控制信号。

所述驱动放大器接收到所述流量控制信号，将所述流量控制信号转化为控制电流，并将所述控制电流发送至所述比例阀中的电磁铁。

所述电磁铁接收到所述控制电流，所述磁芯在所述电磁铁的磁力作用下进行伸缩动作，通过所述磁芯的动作控制所述第一油道509与所述第二油道510之间的阀口开度，从而控制所述第一油道509与所述第二油道510之间液压油的流量，实现对液压阻尼器5中活塞杆的伸缩速率的调整。

其中，液压阻尼器5的具体控制过程如下：

当人体行走状态处于直立相时，液压阻尼器处于如图3所示的完全伸展状态，所述活塞杆506完全伸出在所述活塞缸501的外部，所述第一活塞505处于所述第一油腔503的最左端，所述第二活塞507也处于所述第二油腔504的最左端，所述弹簧508处于伸展状态。此时控制器9需要控制液压阻尼器的比例阀502完全将油口锁死，避免膝关节弯曲。

在人体行走状态从直立相过渡到摆动相时，人体足跟离地，人体行走过程中，大腿甩动带动膝关节惯性弯曲，进而向所述活塞杆506施加一定压力，推动活塞杆506进行收缩，带动所述第一活塞505向右移动，进而压缩所述第一油腔503中的液压油向右流动，液压油从第一油道509经过所述比例阀502的调节后流入所述第二油道510，液压油从所述第二油道510进入到所述第二油腔504，推动所述第二活塞507向右移动，进而压缩所述弹簧508，直至所述液压阻尼器的状体如图4所示，在此过程中，通过控制器9控制所述比例阀502调节阀口的大小来调节液压油的流量，进而控制所述活塞杆506的收缩速率，用以拟合人体膝关节的运动速度，使得人体行走时更加平稳。

同理，在人体行走状态从摆动相过渡到直立相时，也即在如图4所示的液压阻尼器的压缩状态基础上，人体行走状态发生变化，施加在所述活塞杆506上的压力逐渐减小，则在所述弹簧508的弹力作用下，推动所述第二活塞507向左移动，进而压缩所述第二油腔504中的液压油向左流动，液压油从所述第二油道510经过所述比例阀502的调节后流入所述第一油道509，液压油从所述第一油道509进入到所述第一油腔503，推动所述第一活塞505向左移动，带动所述活塞杆506向左端伸出，直至所述液压阻尼器的状体如图3所示，在此过程中，通过控制器9控制所述比例阀502调节阀口的大小来调节液压油的流量，进而控制所述活塞杆506的伸展速率，用以拟合人体膝关节的运动速度，使得人体行走时更加平稳。当弹簧释放到完全伸展状态时，此时再次通过控制器9控制比例阀502将阀口锁死，完成一次循环，整个循环过程中，各个传感器不停检测步态状态，从而通过控制器实时控制液压油的流速大小。

综上所述，本发明实施例所述的单下肢外骨骼矫形器及矫形控制方法，具有如下优点：

1、本发明能够随时感应人体行走状态，随时调节液压阻尼器的伸缩速率，让使用者不再担心自己的行走速度，使得液压阻尼器的活塞运动能够被动的配合人体的行走状态，根据使用者行走速度的快慢来进行随时调节，最大限度保持人体行走自如，保证稳定性。

2、本发明与现有矫形器采用过重的电源和电机驱动液压缸的结构形式相比，省去了液压阻尼器的驱动原件，最大程度减轻重量，结构轻巧，便于在户外穿戴行走。

3、本发明能够用于医疗领域中截瘫患者、中风、脊髓损伤以及脑瘫患者的矫形康复治疗，通过本发明能够彻底改变下肢瘫痪患者的康复治疗和日常生活，帮助使用者尽快康复，实现自助行走。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有说明，“若干”的含义是一个或多个；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。