[發明專利]一種用于配合運動輔助下肢外骨骼進行人體位置調整的智能機械架及其控制方法

在審

• 申請號: 201910412672.6
• 申請日: 2019-05-17
• 公開（公告）號: CN110123329A
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發明（設計）人: 潘樹文;李媛媛;李威燃;嚴建偉;馬徐峰
• 申請（專利權）人: 浙江大學城市學院
• 主分類號: A61B5/103
• 分類號: A61B5/103;A61B5/11;A61H1/02;A61H3/00;B25J9/00;B25J9/16;B25J19/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 應孔月;邱啟旺

本發明公開了一種用于配合運動輔助下肢外骨骼進行人體位置調整的智能機械架及其控制方法。智能機械架包括XYZ三軸運動平臺、姿態檢測傳感器模塊、單片機模塊，姿態檢測傳感器模塊包括用來檢測被穿戴者的腳踩力的左腳腳底壓力檢測模塊與右腳腳底壓力檢測模塊；機械架傳感器模塊主要由用于獲取穿戴者的重心沿Z軸方向高度變化的數據的超聲波傳感器、用于測量穿戴者的重心沿X軸方向的位移的第一位移傳感器和用于測量穿戴者的重心沿Y軸方向的位移的第二位移傳感器構成；傳感器的數據都傳遞到單片機模塊，XYZ三軸運動平臺受控于單片機模塊。極大的減輕了患者穿戴外骨骼時的負擔，使得患者具有足夠空間進行穿戴。

技術領域

本發明主要涉及外骨骼機器人等領域，尤其涉及一種用于配合運動輔助下肢外骨骼進行人體位置調整的智能機械架及其控制方法。

背景技術

多傳感器獲取信息能夠提高系統數據的可靠性，提高信息精度。配合智能機械架使用的外骨骼機器人配備多種傳感器，能夠更加準確地檢測出人體所處的步行狀態，配合機械架使用，提高了外骨骼使用的安全性與舒適性。目前大多數外骨骼均配合輔助支撐結構使用，以維持安全性和穩定性，但目前的輔助支撐結構基本采用頂部繩索拉拽結構，舒適性差，穩定性不高，而且無法進行實時自動調整，對患者的康復訓練造成了一定的障礙，一定程度上減弱了訓練的康復效果。

發明內容

針對上述不足，本發明提供了一種用于配合運動輔助下肢外骨骼進行人體位置調整的智能機械架及其控制方法，解決了運動康復訓練過程中難以及時準確調整身體位姿的問題。

本發明協助患者穿戴外骨骼及步態訓練過程，減輕患者的訓練負擔，結構簡單，價格低廉，易于推廣。

本發明所采用的技術方案如下：一種用于配合運動輔助下肢外骨骼位置調整的智能機械架，包括：XYZ三軸運動平臺、姿態檢測傳感器模塊、單片機模塊，下肢外骨骼的髖部固定在XYZ三軸運動平臺上，所述姿態檢測傳感器模塊包括左腳腳底壓力檢測模塊與右腳腳底壓力檢測模塊以及機械架傳感器模塊；單片機模塊包括相連的外骨骼單片機與機械架單片機；

所述左腳腳底壓力檢測模塊與右腳腳底壓力檢測模塊用來檢測被穿戴者的腳踩力，并將腳踩力傳遞給外骨骼單片機；

所述機械架傳感器模塊主要由超聲波傳感器、第一位移傳感器、第二位移傳感器構成，超聲波傳感器用于獲取穿戴者的重心沿Z軸方向高度變化的數據，并將數據傳遞給外骨骼單片機；第一位移傳感器用于測量穿戴者的重心沿X軸方向的位移，第二位移傳感器用于測量穿戴者的重心沿Y軸方向的位移，并將數據傳遞給外骨骼單片機；

XYZ三軸運動平臺受控于機械架單片機，機械架單片機根據外骨骼單片機傳輸而來的數字信號驅動XYZ三軸運動平臺運動。

進一步的，所述左腳腳底壓力檢測模塊與右腳腳底壓力檢測模塊均由若干力敏傳感器構成。

進一步的，所述力敏傳感器布置于前腳掌區域、后足區域兩個區域。

本發明的另一目的是提供一種用于配合運動輔助下肢外骨骼位置調整的智能機械架的控制方法，該方法包括如下步驟：

步驟1：姿態檢測傳感器模塊檢測到腳底壓力值以及重心沿Z軸方向高度值；

步驟2：外骨骼單片機接收姿態檢測傳感器模塊檢測到的數據，判斷處于人體步態循環的何種階段，在判斷處于人體步行的何種階段后，機械架單片機根據外骨骼單片機傳輸而來的數字信號驅動XYZ三軸運動平臺調整重心在XYZ方向的位置；

步驟3：調整重心在XYZ方向的位置后，超聲波傳感器、第一位移傳感器和第二位移傳感器實時將重心在XYZ方向的位置信息反饋給外骨骼單片機進行反饋控制，從而達到輔助外骨骼平衡的作用。

進一步的，所述人體步態循環分以下七個階段：

狀態1、右腳腳后跟著地，左腳前腳掌著地，左腳準備向前邁：