[發明專利]一種具有多種行走輔助模式的柔性下肢助力服

在審

• 申請號: 202110590403.6
• 申請日: 2021-05-28
• 公開（公告）號: CN113304017A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 張連存;黃強;張偉民;王志恒
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: A61H3/00
• 分類號: A61H3/00;A61H1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種具有多種行走輔助模式的柔性下肢助力服，包括氣動控制系統，左、右腿膝關節柔性助力組件，左、右腿髖關節柔性助力組件，以及航姿參考系統組件(AHRS)。航姿參考系統組件能夠對人體的大腿和小腿相對地面的擺動角度參數進行實時獲取，并反饋給氣動控制系統；氣動控制系統通過對航姿參考系統組件采集人體下肢運動信息，對人體當前的行走步態和運動模式進行識別；氣動控制系統能夠按照步態規律和行走模式適時地為左、右腿髖關節柔性助力組件，左、右腿膝關節柔性助力組件提供負壓或者正壓輸入，從而為人體提供包括單獨輔助髖關節運動、單獨輔助膝關節運動及同時輔助膝關節和髖關節運動等三種行走輔助模式的行走輔助助力。

技術領域

本發明涉及一種具有多種行走輔助模式的柔性下肢助力服，屬于柔性外骨骼、柔性助力服、柔性可穿戴助力裝備技術領域。

背景技術

可穿戴柔性下肢助力服從人因工程學角度出發，能夠以人體骨骼作為支撐構件，采用柔性材料(布帶、氣動肌肉等)代替剛性連桿，穿戴或包覆在下肢周圍，提供與人體肌肉或者肌腱平行的拉力，易適應不同人群的解剖學差異以及穿戴者不同行走模式的生理關節變化，實現與下肢生物力學更好的人機相容性和穿戴舒適性。因此，能夠協助肢體仍殘留部分運動功能的中風患者、弱行走能力的老年人群，提高其下肢機動能力，提高其生活質量。下肢助力服不僅在成本、實用性等方面具有優勢，還具有極高的理論研究價值。

目前柔性下肢助力服按照驅動類型主要分為兩類，一類是繩驅動的下肢助力服，另一類是氣動肌肉驅動的下肢助力服。繩驅動的下肢助力服即采用柔性鮑登線驅動方式，通過收縮線距來傳遞拉力。國際上比較典型的繩驅動下肢助力服主要有哈佛大學Wyss實驗室的Soft Exosuits系列柔性下肢助力服、韓國首爾國立大學的Park等采用鮑登繩開發了膝關節助力服 Knee tendon-suit、日本松下電器公司研究所柔性髖關節助力服等。繩驅動的下肢助力服可以通過鮑登繩剛度的選型來改變整體驅動系統的剛度，此外鮑登繩遠程傳動的特點也可以將系統重量轉移至人體腰部，以降低人體運動慣量與能量的消耗。但由于鮑登繩傳動具有黏滑效應(stick-slip)，且單向鮑登繩傳動還存在動力學不對稱問題，因此對于后續的位置與拉力控制也是一種挑戰。

氣動肌肉驅動的下肢助力服一般采用氣動肌肉作為驅動器。目前國內外比較典型的氣動肌肉驅動的下肢助力服包括日本岡山大學的Sasaki等采用鋁膜充氣氣囊疊研發的下肢助力褲、日本中央大學的Mohri等采用直纖維型氣動人工肌肉作為驅動單元開發的可增強下肢膝關節力量、減輕提升物體時腰部負載的膝關節柔性助力服，以及延邊大學研制的以柔性連接布帶為力矩傳遞單元的可穿戴柔性助力服，其采用電機和柔性布帶作為驅動單元，柔性布帶沿大腿表面分布，電機通過牽引柔性布帶，對髖關節施加以較小的輔助力/矩。氣動柔性下肢助力服雖然具有高功率密度、輕質以及本質柔順的特點，但是氣動肌肉驅動過程中高度非線性導致很難實現較高的控制精度，也限制了其在柔性下肢助力服領域的深入應用；并且氣動肌肉驅動的下肢助力服由于氣動肌肉的閾值較高，一般需要較大流量和氣壓的氣源，對柔性下肢助力服的小型化、便攜化帶來了挑戰。

綜上所述，如何選擇合適的柔性結構材料與驅動方式，以及如何設計柔性材料的布局以提升助力服的靈活性與助力效率是下肢助力服系統的研究關鍵，也是目前柔性下肢助力服領域亟需解決的難題。

發明內容

本發明的目的是針對上述現有技術的缺陷，提供了一種具有多種行走輔助模式的柔性下肢助力服，包括氣動控制系統，左腿膝關節柔性助力組件，右腿膝關節柔性助力組件，左腿髖關節柔性助力組件，右腿髖關節柔性助力組件，以及航姿參考系統組件(AHRS)等。所述航姿參考系統組件(AHRS)能夠對左、右腿大腿相對地面的擺動角度參數進行實時獲取，并反饋給所述氣動控制系統；所述氣動控制系統對所述航姿參考系統組件(AHRS)采集人體下肢運動信息，對人體當前的行走步態和行走模式進行識別；所述氣動控制系統能夠按照步態規律和行走模式適時地為所述左腿髖關節柔性助力組件、右腿髖關節柔性助力組件、左腿膝關節柔性助力組件，以及右腿膝關節柔性助力組件提供正壓或者負壓輸入，可以為用戶提供三種運動輔助模式的助力。