[发明专利]人体下肢运动助力装置

说明书

技术领域

本发明涉及运动助力装置，尤其是一种人体下肢运动助力装置。

背景技术

可穿戴式外骨骼装置中需要准确实时测量穿戴者下肢运动意图，以感知穿戴者当前运动状况，从而实施相关驱动控制，以实现良好的人机协调及为穿戴者提供运动助力功能。

现有技术中，有许多采用足底压力传感器、多个倾角传感器或腰部背部压力传感共同判断穿戴者下肢运动意图，如专利CN200680006514.1、CN201310711420.6、CN201410491075.4等，这些技术方案过于复杂，尤其是在穿戴者运动时带来人机相互受力的异常复杂受力及倾角变化情况，控制系统难以有效实施控制。

另一些技术提到采用角度传感器辅助实施控制，如哈尔滨工业大学2011年硕士论文《外骨骼下肢助力机器人技术研究》中提到通过采用航姿传感器测量穿戴者大小腿之间倾角差来计算穿戴者膝关节角度，该方法没有提及测量角速度，也没有提及测量人体下肢角度与外骨骼腿部相对偏差，其结论是穿戴者感觉不适，距离运动助力尚有距离；专利201410491096.6中提到采用角度传感器，安装在足部用来计算小腿杆受力情况，其控制系统获取穿戴者运动意图仍然是基于足部、腰部及背部压力传感，控制系统复杂、难以达到较好效果；专利CN201180061461.4和US007153242B2中提到每个关节配备有角度传感器，用来测量各个关节的角度，其系统获取穿戴者下肢运动意图则是基于穿戴者操作拐杖的动作，该方法不适合本发明所涉及的穿戴者不需要使用拐杖情形。

还有一些技术采用角速度传感器探测外骨骼装置腿部运动并实施控制，专利CN201380058337.1提到在外骨骼的腿部安装传感器测量其夹角、夹角变化速度以及相对于重力线的绝对角度。该技术探测的是外骨骼装置的腿部伸展及弯曲变化及变化趋势，并不能探测穿戴者人体运动变化状况，从而也无从得知穿戴者运动意图，该装置难以达到较好的穿戴体验。专利CN201310384919.0提到在外骨骼大腿和小腿处设置角速度陀螺仪，用来测量膝关节弯曲角速度，该方法探测的也是外骨骼装置的膝关节弯曲角速度，无法获知穿戴者运动意图。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以及时准确地检测穿戴者腿部相对于助力装置的运动趋势，能够消除穿戴者运动时助力装置与穿戴者之间的相互作用力影响的运动助力装置。

一种人体下肢运动助力装置，包括腿部连杆，所述腿部连杆包括大腿杆和小腿杆，所述大腿杆的底端与小腿杆的顶端通过膝关节轴连接；还包括用于将所述腿部连杆固定于穿戴者腿部上的固定装置，所述固定装置通过转轴与所述腿部连杆连接；在所述转轴或所述固定装置上安装有能够测量所述固定装置旋转角速度的固定装置角速度传感器；所述固定装置角速度传感器电路连接控制系统；动力系统能够在所述控制系统的控制下驱动所述腿部连杆的伸展或弯曲。

本发明的有益效果是：由于固定装置与穿戴者的腿部是固定连接的，所以固定装置角速度传感器测得的固定装置的旋转角速度也就是穿戴者的腿部旋转角速度；穿戴者下肢通过固定装置与腿部连杆耦合，由于固定装置是通过转轴与腿部连杆连接，因此固定装置相对于腿部连杆可以自由转动，从而可以传递腿部连杆的转动趋势，也就能传递穿戴者的运动意图；转轴还可以承受径向方向的拉力和压力，可以有效传递固定装置的助力或其他力量； 固定装置角速度传感器能够准确的测量固定装置的旋转角速度，也就是穿戴者腿部的旋转角速度，进而捕获穿戴者运动意图；采用角速度传感器感知运动意图较灵敏，可以加快动力系统响应速度，避免了刚性的动力系统阻碍穿戴者运动意图，提高其与穿戴者运动协调性，有效地解决了运动时各种力对穿戴者传达运动意图的干扰。

进一步的，固定装置包括大腿绑带和/或小腿绑带；所述大腿绑带通过大腿绑带轴与所述大腿杆连接，所述小腿绑带通过小腿绑带轴与所述小腿杆连接；所述大腿绑带或所述大腿绑带轴上设置有能够测量所述大腿绑带旋转角速度的大腿绑带角速度传感器和/或所述小腿绑带或所述小腿绑带轴上设置有能够测量所述小腿绑带旋转角速度的小腿绑带角速度传感器；所述大腿绑带角速度传感器和/或所述小腿绑带角速度传感器电路连接控制系统。