[發明專利]一種主動式單側股骨外骨骼及控制方法

在審

• 申請號: 202210853058.5
• 申請日: 2022-07-20
• 公開（公告）號: CN115350048A
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 劉學文;陳靜
• 申請（專利權）人: 劉學文
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02;A61B5/11
• 代理公司: 鄭州中原專利事務所有限公司 41109
• 代理人: 趙磊

本發明公開了一種主動式單側股骨外骨骼及控制方法，所述外骨骼包括圍合在穿戴者腰部的環腰支架、設置在環腰支架單側外側的作動器支架；所述作動器支架上固定有作動器，作動器通過舵盤與擺臂上端連接，擺臂下端連接環腿結構，所述環腰支架上設置有控制盒，所述控制盒內置GPS傳感器和身體姿態傳感器，所述控制盒通過軟質電纜連接一個手持控制器，控制盒下方連接有運動傳感器單元，所述GPS傳感器、身體姿態傳感器、運動傳感器和作動器均與手持控制器電連接。本發明采用非仿生的、適合大力矩下應用的股骨外骨骼結構，使得股骨外骨骼的能夠工作于主動動作模式，實現了外骨骼帶動有運動障礙的腿與運動功能正常的腿進行協調順序動作。

技術領域

本申請涉及髖關節外骨骼助力技術領域，更具體地說，涉及一種面向單側股骨的非仿生結構動力外骨骼。

背景技術

外骨骼是電子、機械、仿生、自動控制等多學科交叉融合的可穿戴機電系統，也可以叫做可穿戴外骨骼、外骨骼機器人。外骨骼分為上肢外骨骼和下肢外骨骼。下肢外骨骼通過外骨骼將身上的負載傳遞到地面，具有系統復雜、柔順控制困難、造價昂貴等實用化面臨的缺點。髖關節外骨骼是簡化的下肢外骨骼，位于左右髖關節外側處的作動器產生力矩對穿戴者大腿的抬和落兩個動作進行助力。

為了使髖關節外骨骼固定在穿戴者身上，現有的髖關節外骨骼設計均采用腰部固定方式，即設計一個具有一定剛度的腰帶狀環腰結構，這是一種行業通用的結構形式。其他如作動器、電池盒、控制器等部件均與該環腰結構固連。為了適應穿戴者的身材，該環腰結構的在長度方向上均具備可伸縮功能。大部分設計會在穿戴者的后背位置沿脊柱向上的方向上設計一個具有一定高度的板狀或框架結構與環腰結構剛性連接，以提供作動器所需的反向力矩作用點，在本專利中稱為背板。

外骨骼均采用硬質長桿狀物在（本專利中稱為擺臂）與作動器連接進行動力輸出。

現有的髖關節外骨骼在大腿的下端（站立時的近地端）均設計了一個環腿結構，該環腿結構與動力輸出桿的下端連接。由于在助力行走時只要能夠助力抬腿即可，因此現有髖關節外骨骼的環腿結構都是一部分弧形是剛性的，而另一部分是綁帶。

現有的髖關節外骨骼均采用仿生設計，（即驅動軸與髖關節在軸向重合或接近于重合），若要其工作于主動模式，即穿戴者不做抬腿動作，而是完全由外骨骼帶動腿部，這需要非常大的力矩才能抬起腿部，上述仿生結構在大力矩應用中存在結構不合理的問題。

現有髖關節外骨骼都均采用雙側髖關節結構，都是面向行走輔助功能、動作模式是從動模式，即跟隨穿戴者的腿部動作進行同步動作。但是當面向行動不便的穿戴者（如腦卒中患者、股骨頭病患者）時，這種工作于從動模式的外骨骼便會由于檢測不到穿戴者的運動意圖而失去輔助作用；但如果這種雙側髖關節外骨骼的動作模式采用主動模式，則很大概率會出現外骨骼動作與行動不便的穿戴者動作不一致的情況，從而導致行走障礙甚至有摔倒的風險。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，面向單側腿有運動障礙的穿戴者，本專利提供一種工作于主動模式的非仿生結構單側股骨外骨骼及其控制方法。通過選定工作模式，在檢測到穿戴者運動功能正常的腿完成運動動作后，適時地帶動有運動障礙的腿與之進行雙腿協調行走。

本發明的目的是以下述方式實現的：

一種主動式單側股骨外骨骼，所述外骨骼包括圍合在穿戴者腰部的環腰支架1、設置在環腰支架1單側外側的作動器支架2；所述作動器支架2上固定有作動器3，作動器3通過舵盤與擺臂4上端連接，擺臂4下端連接環腿結構5，所述環腰支架1上設置有控制盒10，所述控制盒10內置GPS傳感器和身體姿態傳感器，所述控制盒10通過軟質電纜連接一個手持控制器12，控制盒下方連接有運動傳感器單元，所述GPS傳感器、身體姿態傳感器、運動傳感器和作動器均與手持控制器電連接。