[發明專利]一種腿桿長度主動可調的下肢外骨骼系統及其控制方法

有效

• 申請號: 202010445635.8
• 申請日: 2020-05-25
• 公開（公告）號: CN111805511B
• 公開（公告）日: 2021-09-14
• 發明（設計）人: 楊巍;徐鈴輝;曹斌;彭楨哲;楊燦軍
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J9/16;B25J17/02;A61H3/00;A61H1/02
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 何彬

本發明涉及一種腿桿長度主動可調的下肢外骨骼系統及其控制方法，屬于穿戴機器人技術領域。該控制方法包括依據針對表征該下肢外骨骼系統處于動作狀態的參數檢測數據，控制大腿桿單元與小腿桿單元調節其腿桿長度，至補償下肢外骨骼系統的關節轉動中心位置與穿戴者的下肢關節轉動中心位置之間位置偏差。該控制方法能在有效提高穿戴舒適性的同時，提高其使用安全性，可廣泛應用于下肢無力或偏癱患者的康復訓練或輔助老年人的步行。

技術領域

本發明涉及穿戴式機器人及其領域，具體地說，涉及一種腿桿長度主動可調的下肢外骨骼系統及其控制方法。

背景技術

隨著人口的老齡化加劇，腦卒中病人不斷增多；此外，由于交通事故、體育運動性損傷以及其他一些致傷因素造成的脊髓損傷都呈增長趨勢，因此，對患者的早期康復訓練治療越來越受到重視，其主流是利用中樞神經系統的可塑性，通過運動訓練使患側出現相應的反應，改善肌肉張力，建立神經系統新的組合關系。然而憑借理療師的經驗對患者進行手動康復訓練不但效率不高，而且效果也不理想。利用下肢外骨骼機器人康復訓練系統，能夠有效替代理療師繁重的手動訓練工作。同時，針對截癱患者，下肢外骨骼作為代償工具能輔助患者重新站起來步行，可以有效減少骨質疏松、壓瘡等疾病發生。

對于下肢外骨骼的結構，通常如公告號為CN208989576U的專利文獻所公開的結構，自上而下，依次包括相互連接的腰部穿戴單元、髖關節單元、大腿桿單元、膝關節單元、小腿桿單元、踝關節單元及足底單元。該種結構的下肢外骨骼在使用過程中存在，通常一種規格的外骨骼只能適配同一穿戴者，導致其使用成本較高。

為了解決上述問題，在公開號為CN103932870A的專利文獻中公開了一種仿生設計下肢康復訓練外骨骼，通過將分段調節和短距離連續調節組合起來發明了外骨骼腿桿連續手動調節機構，具體方案為采用類似千斤頂原理，調節中間螺釘時可連續調整上下連接桿的距離，與分段調節機構組合起來可實現外骨骼腿桿整段連續手動調節。由于其需要進行手動調節，而存在調節效率偏低的問題，因此，在部分設計中，將該調節機構設置成主動調節機構。

通過將大腿桿與小腿桿設置成長度可調結構，能有效地提高該下肢外骨骼對穿戴者身高的適配范圍，有效地減低了成本；但由于人體生理關節較為復雜，而外骨骼設計關節一般將其近似為鉸鏈關節，且大部分外骨骼設計均將髖關節、膝關節屈曲/伸展近似為單自由度定軸轉動的鉸鏈關節，這使得人體穿戴外骨骼步行過程中，因人體關節與外骨骼關節運動機理的差異引起人體腿部與外骨骼腿桿之間的相對運動，且在行走過程中，存在關節中心位置不匹配的問題，在穿戴及行走過程中，骨骼關節與人體關節之間的位置偏差能達到10毫米量級，由于相對較小，在現有外骨骼的設計中因考慮到人體肌膚組織柔軟特性而將其進行忽略處理，但是在實際使用過程中，因綁帶與人腿之間綁縛較緊，該較小的位移之差會帶來較大的干涉力，長期往復會對人體下肢關節軟組織造成損傷，尤其是下肢癱瘓患者的肢體感覺能力較弱，而平時難以感受到這些負面影響，存在較大的負面影響。

此外，在外骨骼系統輔助穿戴者運動的過程中，在驅使大腿桿擺動動作的時機為基于固設在大腿桿上的位姿檢測傳感器的檢測數據進行判斷，但在使用過程中，容易因傳感器信號噪聲影響出現誤判，導致助行器與人體運動不協調的現象。

針對上述運動不協調問題，目前的解決的方案為通過采集人體肌肉電信號，結合自適應振蕩器算法預測類周期性步態軌跡，實現機器人對人體髖關節的精準助力；該方法雖然能夠通過預測而消除助力延時，但是對步行周期性有一定要求，當穿戴者頻繁變換步行節奏時，因無法準確預測導致助力時機紊亂影響協調性。或者通過相角振蕩器準確識別出人體在每個步行周期內對應的步態相位，從而實現對應步態相位的準確助力控制，但是其存在通過姿態傳感器檢測到關節角度后才能計算得到當前狀態下的助力值，不具備預測功能，助力仍受延時影響而存在滯后感。

發明內容

本發明的主要目的是提供一種腿桿長度主動可調的下肢外骨骼系統的控制方法，以能有效地提高穿戴舒適性的同時，提高其使用安全性；