一种髋关节外骨骼装置及其控制系统和控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种髋关节外骨骼装置，包括穿戴在使用者躯干上的主框架，主框架的后端通过腰带穿戴在使用者的腰部，主框架的两端下侧对称连接有驱动源，驱动源的输出端连接有向下延伸贴附在使用者腿部外侧的副框架，副框架的侧壁下端连接有套在使用者腿部的腿部固定绑带，主框架的前端上部一体化连接有内部设置容纳腔的腰包，腰包内放置有提供电能的蓄电池和控制装置。通过传感器获取和控制装置计算用户数据，用户数据包括：传感器采集到的左右髋关节角度值，计算出的左右髋关节差分角、差分角速度和左右髋关节角速度，根据这些用户数据判断用户意图，发送控制信号到驱动源进行外骨骼控制。控制。控制。

【技术实现步骤摘要】
一种髋关节外骨骼装置及其控制系统和控制方法


[0001]本专利申请涉及外骨骼
，特别是涉及一种髋关节外骨骼装置及其控制系统和控制方法。

技术介绍

[0002]由于各种病理原因(例如疾病或者事故)以及老龄化社会问题导致越来越多的人由于老龄化而经受来自减弱的肌肉力量或关节问题的不便和疼痛。因此，对能够使有减弱肌肉力量或关节问题的老年用户或患者用较少的力气步行的步行辅助装置的兴趣越来越大。步行辅助装置可用于辅助腿脚不便的用户更容易地步行。

技术实现思路

[0003]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利申请的目的在于提供一种髋关节外骨骼装置及其控制系统和控制方法，解决上述现有技术的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种髋关节外骨骼装置，包括穿戴在使用者躯干上的主框架，主框架的后端通过腰带穿戴在使用者的腰部，主框架的两端下侧对称连接有驱动源，驱动源的输出端连接有向下延伸贴附在使用者腿部外侧的副框架，副框架的侧壁下端连接有套在使用者腿部的腿部固定绑带，主框架的前端上部一体化连接有内部设置容纳腔的腰包，腰包内放置有提供电能的蓄电池。
[0006]进一步的，两个所述副框架相向一端的下侧连接有传感器。
[0007]进一步的，所述驱动源是由一无刷直流电机以及连接在该无刷直流电机输出端的减速机组成。
[0008]一种如前述所述的髋关节外骨骼装置的控制系统，包括用于接收处理传感器信号以及向驱动源发出控制指令的控制装置，控制装置安装在腰包内，控制装置包括：
[0009]腿部参数计算模块：根据使用者的身高、体重、性别计算使用者左右腿部参数信息；
[0010]角度处理模块：对两个传感器采集到的角度进行滤波，并计算左右髋关节角度的差分角，以及左右髋关节的角速度和差分角速度；
[0011]运动意图识别模块：根据角度处理模块处理的数据判断出使用者的运动状态；
[0012]辅助力运算模块：接收腿部参数计算模块和运动意图识别模块的信号，再结合拉格朗日动力学对下肢建立的模型与使用者的运动状态确定对应左侧和右侧髋关节外骨骼的辅助力。
[0013]进一步的，所述角度处理模块包括滤波器模块、差分角计算模块和角速度计算模块，滤波器模块将两腿检测出的髋关节角度滤波后分别传输至差分角计算模块和角速度计算模块，差分角计算模块将计算出的差分角传输至角速度计算模块，角速度计算模块将计算出的髋关节的角速度以及差分角速度传输至运动意图识别模块。
[0014]进一步的，所述运动意图识别模块根据使用者左侧髋关节角度或者右侧髋关节角度、左右髋关节差分角速度判断用户的运动状态，其中，运动状态包括站立、左腿行走和右腿行走。
[0015]进一步的，所述辅助力运算模块根据使用者当前所处的运动状态，根据拉格朗日动力学模型，结合当前的运动数据及自身情况来运算出助力时需要发挥的辅助力，通过驱动源驱动执行辅助力的施加。
[0016]一种如前述所述的髋关节外骨骼装置控制系统的控制方法，包括如下步骤：
[0017]S1、根据腿部计算模块记录使用者的身高、体重、性别，计算出使用者的大腿质量、小腿质量、大腿质心距离髋关节中心的长度以及大腿长度；
[0018]S2、根据角度处理模块接收处理从传感器发送来的左、右髋关节角度，经低通滤波后计算使用者左右髋关节的角速度和差分角速度；
[0019]S3、运动意图识别模块根据左右髋关节的角速度和差分角速度识别使用者的运动状态，同时，根据使用者的运动状态设定第一预设值、第二预设值和第三预设值；
[0020]S4、辅助力运算模块根据运动意图识别模块识别的运动状态，控制驱动源启动带动副框架摆动，在腿部固定绑带下施加辅助力，带动腿部运动。
[0021]进一步的，所述步骤S2中，角度处理模块首先进行从由左右的髋关节角度传感器采集到的角度信号中滤掉高频成分留下低频成分，处理运算公式如下：
[0022]θ
n
＝αq
n
+(1
‑
α)θ
n
‑1ꢀꢀ
(1)
[0023]其中，α为滤波系数，q
n
为表示当前传感器采集到的髋关节角度值，θ
n
‑1为上一个滤波后的角度，θ
n
为本次处理后的角度值；
[0024]在执行了低通滤波处理后，执行差分角的计算，其运算公式如下：
[0025]θ＝θ
L
‑
θ
R
ꢀꢀ
(2)
[0026]其中，θ
L
为左腿髋关节的角度，θ
R
为右腿髋关节的角度，θ为差分角；差分角θ是左腿相对于右腿的弯曲角度，左腿和右腿相比位于弯曲侧时为正值，即相对于身体前方的下肢，左腿与右腿相比于伸展侧时为负值，即相对于身体后方的下肢；
[0027]角度处理模块(62)基于从低通滤波器通过的髋关节角度θ
L
、θ
R
计算对应的角速度、对应的差分角速度ω，其运算公式如下：
[0028]ω
R
＝(θ
R
‑
N
‑
θ
R
‑
N
‑1)/Tc
ꢀꢀ
(3)
[0029]ω
L
＝(θ
L
‑
N
‑
θ
L
‑
N
‑1)/Tc
ꢀꢀ
(4)
[0030]ω＝(θ
N
‑
θ
N
‑1)/Tc
ꢀꢀ
(5)
[0031]其中，θ
R
‑
N
为本次右腿的髋关节角度值；θ
R
‑
N
‑1为前次右腿髋关节角度值；θ
L
‑
N
为本次左腿的髋关节角度值；θ
L
‑
N
‑1为前次右腿髋关节角度值；θ
N
为本次处理中算出的差分角；θ
N
‑1为前次处理中算出的差分角；ω
L
为左腿髋关节角速度值；ω
R
为右腿髋关节角速度值；ω为差分角速度，Tc为处理周期；
[0032]所述步骤S3中，运动意图识别模块在角度处理模块执行完毕后，基于已得到的各种角速度，与提前设置好的第一、第二和第三预设值做比较，则能判断出使用者的运动趋势，具体执行如下公式：
[0033]ω>0&&ω
start
<ω
L
<ω
end
,left assist
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0034]‑
ω&am本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种髋关节外骨骼装置，包括穿戴在使用者躯干上的主框架(2)，主框架(2)的后端通过腰带(1)穿戴在使用者的腰部，其特征在于，主框架(2)的两端下侧对称连接有驱动源(5)，驱动源(5)的输出端连接有向下延伸贴附在使用者腿部外侧的副框架(4)，副框架(4)的侧壁下端连接有套在使用者腿部的腿部固定绑带(9)，主框架(2)的前端上部一体化连接有内部设置容纳腔的腰包(3)，腰包(3)内放置有提供电能的蓄电池(7)。2.根据权利要求1所述的一种髋关节外骨骼装置，其特征在于，两个所述副框架(4)相向一端的下侧连接有传感器(8)。3.根据权利要求2所述的一种髋关节外骨骼装置，其特征在于，所述驱动源(5)是由一无刷直流电机以及连接在该无刷直流电机输出端的减速机组成。4.一种如权利要求3所述的髋关节外骨骼装置的控制系统，其特征在于，包括用于接收处理传感器(8)信号以及向驱动源(5)发出控制指令的控制装置(6)，控制装置(6)安装在腰包(3)内，控制装置(6)包括：腿部参数计算模块(61)：根据使用者的身高、体重、性别计算使用者左右腿部参数信息；角度处理模块(62)：对两个传感器(8)采集到的角度进行滤波，并计算左右髋关节角度的差分角，以及左右髋关节的角速度和差分角速度；运动意图识别模块(63)：根据角度处理模块(62)处理的数据判断出使用者的运动状态；辅助力运算模块(64)：接收腿部参数计算模块(61)和运动意图识别模块(63)的信号，再结合拉格朗日动力学对下肢建立的模型与使用者的运动状态确定对应左侧和右侧髋关节外骨骼的辅助力。5.根据权利要求4所述的一种髋关节外骨骼装置的控制系统，其特征在于，所述角度处理模块(62)包括滤波器模块(621)、差分角计算模块(622)和角速度计算模块(623)，滤波器模块(621)将两腿检测出的髋关节角度滤波后分别传输至差分角计算模块(622)和角速度计算模块(623)，差分角计算模块(622)将计算出的差分角传输至角速度计算模块(623)，角速度计算模块(623)将计算出的髋关节的角速度以及差分角速度传输至运动意图识别模块(63)。6.根据权利要求4所述的一种髋关节外骨骼装置的控制系统，其特征在于，所述运动意图识别模块(63)根据使用者左侧髋关节角度或者右侧髋关节角度、左右髋关节差分角速度判断用户的运动状态，其中，运动状态包括站立、左腿行走和右腿行走。7.根据权利要求4所述的一种髋关节外骨骼装置的控制系统，其特征在于，所述辅助力运算模块(64)根据使用者当前所处的运动状态，根据拉格朗日动力学模型，结合当前的运动数据及自身情况来运算出助力时需要发挥的辅助力，通过驱动源(5)驱动执行辅助力的施加。8.一种如权利要求4
‑
7任一项所述的髋关节外骨骼装置控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、根据腿部计算模块(21)记录使用者的身高、体重、性别，计算出使用者的大腿质量、小腿质量、大腿质心距离髋关节中心的长度以及大腿长度；S2、根据角度处理模块(62)接收处理从传感器(8)发送来的左、右髋关节角度，经低通
滤波后计算使用者左右髋关节的角速度和差分角速度；S3、运动意图识别模块(63)根据左右髋关节的角速度和差分角速度识别使用者的运动状态，同时，根据使用者的运动状态设定第一预设值、第二预设值和第三预设值；S4、辅助力运算模块(64)根据运动意图识别模块(63)识别的运动状态，控制驱动源(5)启动带动副框架(4)摆动，在腿部固定绑带(9)下施加辅助力，带动腿部运动。9.根据权利要求8所述的一种髋关节外骨骼装置控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，角度处理模块(62)首先进行从由左右的髋关节角度传感器(8)采集到的角度信号中滤掉高频成分留下低频成分，处理运算公式如下：θ
n
＝αq
n
+(1
‑
α)θ
n
‑1ꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，α为滤波系数，q
n
为表示当前传感器采集到的髋关节角度值，θ
n
‑1为上一个滤波后的角度，θ
n
为本次处理后的角度值；在执行了低通滤波处理后，执行差分角的计算，其运算公式如下：θ＝θ
L
‑
θ
R
ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，θ
L
为左腿髋关节的角度，θ
R
为右腿髋关节的角度，θ为差分角；差分角θ是左腿相对于右腿的弯曲角度，左腿和右腿相比位于弯曲侧时为正值，即相对于身体前方的下肢，左腿与右腿相比于伸展侧时为负值，即相对于身体后方的下肢；角度处理模块(62)基于从低通滤波器通过的髋关节角度θ
L
、θ
R
计算对应的角速度、对应的差分角速度ω，其运算公式如下：ω
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓丽，梅珑，王兴，杨松，姬跃云，郭淑英，胡蓉，金来，
申请(专利权)人：安徽三联机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：