下肢助行外骨骼及其助行方法与流程

本发明涉及一种下肢助行外骨骼及其助行方法。

背景技术：
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“外骨骼”的概念最初源于昆虫的外骨骼，是指生物提供保护和支持的坚强的外部结构。人们利用仿生学原理，在人体外穿上能提供某种相应帮助的装备，如提供保护不受外来伤害，助行，负重或者提供增强人体某种技能等。在康复领域，则简化构造，只需要机械外骨骼下肢部分来帮助那些下肢功能障碍的人们，让他们重新站立起来并移动。但现有外骨骼存在以下不足：自由度与现有人体下肢匹配度不足，一些人体的常规动作无法完成，如分开腿、腿绕足跟旋转，应用昂贵复杂的减速器，对各个旋转关节的精度、制造工艺要求较高，完成同样力矩转动时需要的电机扭矩较大。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种下肢助行外骨骼及其助行方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

下肢助行外骨骼，其组成包括：对称设置的大腿机械关节、小腿机械关节和脚部托板，所述下肢助行外骨骼还包括总控制集成器、电池、背部固定托板，一对胯部电动推杆、胯部旋转关节、腿部整体旋转关节、大腿关节电动推杆、膝关节电动推杆、脚踝旋转关节、胯部角度检测传感器、大腿关节角度检测传感器、小腿关节角度检测传感器、踝关节角度检测传感器以及脚部压力传感器；

两大腿机械关节通过背部固定托板连接，连接处位于人体胯部相对应的位置，背部固定托板上方安装总控制集成器和电池，背部固定托板两端分别安装胯部电动推杆和胯部旋转关节，胯部电动推杆固定安装在背部固定托板上，胯部旋转关节插装在背部固定托板上，胯部电动推杆分别驱动相应胯部旋转关节的施力端进行与佩戴者自然站立姿势相适应的左右摆动，且两侧的胯部旋转关节下方分别对称的依次设置：

胯部旋转关节向下与腿部整体旋转关节转动安装，腿部整体旋转关节向下通过大腿关节电动推杆铰接大腿机械关节，大腿关节电动推杆驱动大腿机械关节进行与佩戴者自然站立姿势相适应的前后摆动，大腿机械关节向下通过膝关节电动推杆铰接小腿机械关节，膝关节电动推杆驱动小腿机械关节进行与佩戴者自然站立姿势相适应的前后摆动，小腿机械关节下部末端铰接脚踝旋转关节，且小腿机械关节通过脚踝关节电动推杆铰接脚踝旋转关节，脚踝关节电动推杆驱动脚踝旋转关节进行与佩戴者自然站立姿势相适应的前后摆动，脚踝旋转关节连接脚部托板，脚部托板上表面设置脚部压力传感器；并且，与佩戴者自然站立姿势相适应：膝关节电动推杆位于大腿机械关节的前方，大腿关节电动推杆位于大腿机械关节的后方；脚踝关节电动推杆位于小腿机械关节的前方；这里的前方是指，人体自然站立时，面朝方向定义为前；其中，

在胯部旋转关节与胯部电动推杆连接处设置胯部角度检测传感器；

在腿部整体旋转关节与大腿关节电动推杆铰接处设置大腿关节角度检测传感器；且大腿关节电动推杆驱动大腿机械关节绕着大腿关节角度检测传感器摆动；

在大腿机械关节与小腿机械关节铰接处设置小腿关节角度检测传感器；

在小腿机械关节与脚踝旋转关节铰接处设置踝关节角度检测传感器。

下肢助行外骨骼的下肢助行方法，将背部固定托板与佩戴者固定，利用总控制集成器对整个下肢助行外骨骼装置的行走进行控制，利用电池为整个下肢助行外骨骼装置的提供动力来源，下肢助行外骨骼对佩戴者进行助行过程：

背部固定托板两端的胯部电动推杆接收总控制集成器发出的信号后，驱动同侧胯部旋转关节转动，使胯部旋转关节在助行过程中具有与佩戴者自然站立姿势相适应的胯部转动功能；同时，通过胯部旋转关节与胯部电动推杆连接处设置胯部角度检测传感器，获得检测胯部转动的角度并传回信号至总控制集成器；

胯部旋转关节通过腿部整体旋转关节连接大腿关节电动推杆和大腿机械关节这两个结构，大腿关节电动推杆接收总控制集成器发出的信号后驱动大腿机械关节转动，使大腿机械关节在助行过程中具有与佩戴者自然站立姿势相适应的前后摆动功能，同时，还能根据佩戴者大腿部位的长度，通过插装在大腿机械关节导轨内的大腿部分长度调节关节，调节与佩戴者相适应的大腿机械关节的延长度；通过腿部整体旋转关节与大腿关节电动推杆铰接处设置大腿关节角度检测传感器，检测大腿机械关节转动的角度并传回信号至总控制集成器；

膝关节电动推杆铰接在大腿机械关节与小腿机械关节之间，膝关节电动推杆接收总控制集成器发出的信号后驱动小腿机械关节转动，使小腿机械关节在助行过程中具有与佩戴者自然站立姿势相适应的前后摆动功能，同时，还能根据佩戴者小腿部位的长度，通过插装在小腿机械关节导轨内的小腿部分长度调节关节，调节与佩戴者相适应的小腿机械关节的延长度；并通过大腿机械关节与小腿机械关节铰接处设置小腿关节角度检测传感器，检测小腿机械关节转动的角度并传回信号至总控制集成器；并通过大腿机械关节在靠近人体一侧的表面上安装的大腿关节压力传感器及固定装置，将助行外骨骼固定于佩戴者的大腿部位，并检测行走过程中的信号，使下肢助行外骨骼的整体控制系统更加完整；

脚踝关节电动推杆铰接在小腿机械关节与脚踝旋转关节之间，脚踝关节电动推杆接收总控制集成器发出的信号后驱动脚踝旋转关节转动，使进行脚踝旋转关节在助行过程中具有与佩戴者自然站立姿势相适应的前后摆动功能，则脚踝旋转关节带动脚部托板也具有前后摆动的功能，通过脚部托板上表面设置的脚部压力传感器检测行走过程中人体脚底压力，脚底压力传感器发出信号直接传送到总控制集成器，用于对人体行走意图与步态的判定；并通过小腿机械关节与脚踝旋转关节铰接处设置踝关节角度检测传感器，检测脚踝旋转关节转动的角度并传回信号至总控制集成器；并通过小腿机械关节在靠近人体一侧的表面上安装的小腿关节压力传感器及固定装置，将助行外骨骼固定于佩戴者的大腿部位，并检测行走过程中的信号，使下肢助行外骨骼的整体控制系统更加完整。

佩戴者自然站立姿势是指：人体自然站立时，面朝方向定义为前。

本发明的有益效果：

胯部旋转关节转动，满足助行外骨骼行走中胯部的转动需求；胯部角度检测传感器，检测胯部转动的角度并传回信号；大腿部分长度调节关节可放置在大腿关节中，可在大腿关节的导轨中移动和固定，以此调节长度，并在大腿部分长度调节关节和腿部整体旋转关节之间添加大腿关节电动推杆，大腿关节电动推杆可在接受信号后推动大腿关节相对于胯部旋转，实现助行外骨骼行走时需求的转动，在大腿关节电动推杆与腿部整体旋转关节连接处安放大腿关节角度检测传感器，检测大腿关节转动的角度同时传回信号；大腿关节末端与小腿部分长度调节关节相连，两者之间还连接膝关节电动推杆以驱动大腿关节与小腿关节在行走中的转动，在大腿关节和小腿部分长度调节关节转动连接处安放小腿关节角度检测传感器，检测小腿关节转动的角度同时传回信号；小腿部分长度调节关节安放在小腿关节中，通过小腿关节中的导轨调节小腿部分的长度；小腿关节末端与脚踝旋转关节相连，同时可以相对转动，满足助行外骨骼行行走过程中脚踝部分的转动需求，并在转动处安放踝关节角度检测传感器，检测踝关节转动的角度并传回信号；脚踝旋转关节与脚部固定托板连接，用以固定使用者的脚部，在脚部固定托板上安放脚部压力传感器，检测脚部在助行外骨骼行走中的状态；小腿关节压力传感器及固定装置与大腿关节压力传感器及固定装置分别安放在小腿关节与大腿关节上，用以固定使用者和助行外骨骼，并检测行走的信号，使助行外骨骼整体控制系统更加完整。

胯部电动推杆固定在背部固定托板上，胯部旋转关节也与背部固定托板相连，胯部电动推杆可推动胯部旋转关节进行旋转，满足胯部转动，腿部整体旋转关节与胯部旋转关节连接，可实现腿部相对于胯部的转动，使外骨骼行走过程中使用者更加舒适。

腿部整体旋转关节与大腿部分长度调节关节相连接，大腿关节电动推杆固定在两者之间，可推动两者进行相对转动，大腿部分长度调节关节与大腿关节靠大腿关节中的导轨固定，并且可以上下移动调节长度，大腿关节与小腿部分长度调节关节连接，膝关节电动推杆固定在两者之间，可推动两者相对转动，实现大腿关节与小腿关节的连接与转动。小腿关节长度调节原理与大腿关节长度调节原理相同。

小腿关节与踝关节旋转关节相连接，小腿部分电动推杆固定在两者之间，可推动两者相对转动，实现踝关节在行走中的转动，踝关节旋转关节同时与脚部固定托板固定，无法进行相对转动，保证使用者与助行外骨骼之间的紧密性，提升安全性。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图；

附图2是本发明涉及的胯部旋转关节的结构示意图；

附图3是本发明涉及的腿部整体旋转关节的结构示意图；

具体实施方式：

具体实施方式一：

本实施方式的下肢助行外骨骼，如图1-图3所示，

一种下肢助行外骨骼，其组成包括：对称设置的大腿机械关节1、小腿机械关节2和脚部托板3，所述下肢助行外骨骼还包括电池4、总控制集成器5、背部固定托板6，一对胯部电动推杆7、胯部旋转关节8、腿部整体旋转关节9、大腿关节电动推杆10、膝关节电动推杆11、脚踝旋转关节12、胯部角度检测传感器13、大腿关节角度检测传感器14、小腿关节角度检测传感器15、踝关节角度检测传感器16、脚踝关节电动推杆17以及脚部压力传感器18；

两大腿机械关节1通过背部固定托板6连接，连接处位于人体胯部相对应的位置，背部固定托板6上方安装总控制集成器5和电池4，背部固定托板6两端分别安装胯部电动推杆7和胯部旋转关节8，胯部电动推杆7固定安装在背部固定托板6上，胯部旋转关节8插装在背部固定托板6上，胯部电动推杆7分别驱动相应胯部旋转关节8转动，且两侧的胯部旋转关节8下方分别对称的依次设置：

胯部旋转关节8向下与腿部整体旋转关节9转动安装，腿部整体旋转关节9向下通过大腿关节电动推杆10铰接大腿机械关节1，大腿关节电动推杆10驱动大腿机械关节1进行与佩戴者自然站立姿势相适应的前后摆动，大腿机械关节1向下通过膝关节电动推杆11铰接小腿机械关节2，膝关节电动推杆11驱动小腿机械关节2进行与佩戴者自然站立姿势相适应的前后摆动，小腿机械关节2下部末端铰接脚踝旋转关节12，且小腿机械关节2通过脚踝关节电动推杆17铰接脚踝旋转关节12，脚踝关节电动推杆17驱动脚踝旋转关节12进行与佩戴者自然站立姿势相适应的前后摆动，脚踝旋转关节12连接脚部托板3，脚部托板3上表面设置脚部压力传感器18；并且，与佩戴者自然站立姿势相适应：膝关节电动推杆11位于大腿机械关节1的前方，大腿关节电动推杆10位于大腿机械关节1的后方；脚踝关节电动推杆17位于小腿机械关节2的前方；这里的前方是指，人体自然站立时，面朝方向定义为前；其中，

在胯部旋转关节8与胯部电动推杆7连接处设置胯部角度检测传感器13；

在腿部整体旋转关节9与大腿关节电动推杆10铰接处设置大腿关节角度检测传感器14；且大腿关节电动推杆10驱动大腿机械关节1绕着大腿关节角度检测传感器14摆动；

在大腿机械关节1与小腿机械关节2铰接处设置小腿关节角度检测传感器15；

在小腿机械关节2与脚踝旋转关节12铰接处设置踝关节角度检测传感器16。

佩戴者自然站立姿势是指：人体自然站立时，面朝方向定义为前。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的下肢助行外骨骼，所述的下肢助行外骨骼还包括大腿部分长度调节关节19，所述的大腿机械关节1内设置导轨，大腿部分长度调节关节19由大腿机械关节1顶端插入导轨中，大腿机械关节1通过大腿部分长度调节关节19向上与腿部整体旋转关节9铰接；且大腿关节电动推杆10与大腿部分长度调节关节19的连接实现对大腿机械关节1的转动进行驱动的。

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的下肢助行外骨骼，所述的下肢助行外骨骼还包括小腿部分长度调节关节20，所述的小腿机械关节2内设置导轨，小腿部分长度调节关节20由小腿机械关节2顶端插入导轨中，小腿机械关节2通过小腿部分长度调节关节20向上与大腿机械关节1铰接；且膝关节电动推杆11与小腿部分长度调节关节20的连接实现对小腿机械关节2的转动进行驱动。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的下肢助行外骨骼，所述的大腿机械关节1在靠近人体一侧的表面上还安装大腿关节压力传感器及固定装置21，用于将助行外骨骼固定于佩戴者的大腿部位，并检测行走过程中的压力信号，使下肢助行外骨骼的整体控制系统更加完整。压力信号，在大腿机械关节1向前时压迫大腿关节压力传感器及固定装置21受力，返回压力信号，大腿机械关节1运动，减小压力信号；大腿机械关节1将随着人体大腿运动，保持大腿关节压力传感器及固定装置21的数值在固定范围内。

大腿关节压力传感器及固定装置正向受压，大腿机械关节1向前运动，反向受压大腿机械关节1向后运动，是用来检测人的行走意图的传感器，并根据大腿关节压力传感器及固定装置数值大小变化大腿关节电动推杆10运行速度。

具体实施方式五：

与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的下肢助行外骨骼，所述的小腿机械关节2在靠近人体一侧的表面上还安装小腿关节压力传感器及固定装置22，用于将助行外骨骼固定于佩戴者的大腿部位，并检测行走过程中的压力信号，使下肢助行外骨骼的整体控制系统更加完整。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的下肢助行外骨骼，所述的胯部旋转关节8还包括受力段和施力段，受力段的一端与施力段的一端垂直连接形成一体式的L型，L型的胯部旋转关节8的受力端具有与胯部电动推杆7铰接的夹持结构23，L型的胯部旋转关节8的施力端具有与腿部整体旋转关节9固定连接的插装孔24。

具体实施方式七：

与具体实施方式一、二、四或六不同的是，本实施方式的下肢助行外骨骼，所述的小腿部分长度调节关节20还包括平直段和垂直段，垂直段垂直固定在平直段的中部形成一体式T型，T型的小腿部分长度调节关节20的平直段两端分别连接大腿机械关节1和小腿机械关节2，T型的小腿部分长度调节关节20的垂直段用于安装膝关节电动推杆11；其中，平直段与小腿机械关节2平行，平直段朝向与佩戴者自然站立姿势相适应的前侧，垂直段朝向与佩戴者自然站立姿势相适应的后侧。

具体实施方式八：

与具体实施方式七不同的是，本实施方式的下肢助行外骨骼，所述的大腿机械关节1与小腿机械关节2之间的夹角α为3-177°，且形成的夹角开口朝向与佩戴者自然站立姿势相适应的后方。

具体实施方式九：

与具体实施方式一、二、四、六或八不同的是，本实施方式的下肢助行外骨骼，所述的脚踝旋转关节12的形状为L型，L型的脚踝旋转关节12的拐角处与脚部托板3连接，L型的脚踝旋转关节12的一个自由端与小腿机械关节2铰接，L型的脚踝旋转关节12的另一个自由端用于安装脚踝关节电动推杆17。

具体实施方式十：

本实施方式的下肢助行外骨骼的下肢助行方法，

将背部固定托板6与佩戴者固定，利用总控制集成器5对整个下肢助行外骨骼装置的行走进行控制，利用电池4为整个下肢助行外骨骼装置的提供动力来源，下肢助行外骨骼对佩戴者进行助行过程：

背部固定托板6两端的胯部电动推杆7接收总控制集成器5发出的信号后，驱动同侧胯部旋转关节8转动，使胯部旋转关节8在助行过程中具有与佩戴者自然站立姿势相适应的胯部转动功能；同时，通过胯部旋转关节8与胯部电动推杆7连接处设置胯部角度检测传感器13，获得检测胯部转动的角度并传回信号至总控制集成器5；

胯部旋转关节8通过腿部整体旋转关节9连接大腿关节电动推杆10和大腿机械关节1这两个结构，大腿关节电动推杆10接收总控制集成器5发出的信号后驱动大腿机械关节1转动，使大腿机械关节1在助行过程中具有与佩戴者自然站立姿势相适应的前后摆动功能，同时，还能根据佩戴者大腿部位的长度，通过插装在大腿机械关节1导轨内的大腿部分长度调节关节19，调节与佩戴者相适应的大腿机械关节1的延长度；通过腿部整体旋转关节9与大腿关节电动推杆10铰接处设置大腿关节角度检测传感器14，检测大腿机械关节1转动的角度并传回信号至总控制集成器5；

膝关节电动推杆11铰接在大腿机械关节1与小腿机械关节2之间，膝关节电动推杆11接收总控制集成器5发出的信号后驱动小腿机械关节2转动，使小腿机械关节2在助行过程中具有与佩戴者自然站立姿势相适应的前后摆动功能，同时，还能根据佩戴者小腿部位的长度，通过插装在小腿机械关节2导轨内的小腿部分长度调节关节20，调节与佩戴者相适应的小腿机械关节2的延长度；并通过大腿机械关节1与小腿机械关节2铰接处设置小腿关节角度检测传感器15，检测小腿机械关节2转动的角度并传回信号至总控制集成器5；并通过大腿机械关节1在靠近人体一侧的表面上安装的大腿关节压力传感器及固定装置21，将助行外骨骼固定于佩戴者的大腿部位，并检测行走过程中的压力信号，使下肢助行外骨骼的整体控制系统更加完整；

脚踝关节电动推杆17铰接在小腿机械关节2与脚踝旋转关节12之间，脚踝关节电动推杆17接收总控制集成器5发出的信号后驱动脚踝旋转关节12转动，使进行脚踝旋转关节12在助行过程中具有与佩戴者自然站立姿势相适应的前后摆动功能，则脚踝旋转关节12带动脚部托板3也具有前后摆动的功能，通过脚部托板3上表面设置的脚部压力传感器18检测行走过程中人体脚底压力，脚底压力传感器18发出信号直接传送到总控制集成器5，用于对人体行走意图与步态的判定；并通过小腿机械关节2与脚踝旋转关节12铰接处设置踝关节角度检测传感器16，检测脚踝旋转关节12转动的角度并传回信号至总控制集成器5；并通过小腿机械关节2在靠近人体一侧的表面上安装的小腿关节压力传感器及固定装置22，将助行外骨骼固定于佩戴者的大腿部位，并检测行走过程中的压力信号，使下肢助行外骨骼的整体控制系统更加完整。