[发明专利]一种基于规律行走步态学习的助力外骨骼装置

说明书

一种基于规律行走步态学习的助力外骨骼装置，在该装置未学习人体规律运动步态或人体处于不规律运动状态时，该装置进行被动助力；当该装置学习了人体规律运动步态后，将该规律运动信息和人与助力外骨骼装置之间的相对运动信息进行融合，得出混合运动指令，带动人体下肢运动，实现主动助力，使得人体可充分减小运动下肢的出力。当人不主动运动时，该装置仍能按照之前学习的规律运动完全带动人体运动，达到更高效的助力效果。本发明装置能够为人体规律运动(如匀速的行走，奔跑，上下楼梯和上下坡运动等)进行主动助力，可适用于长时背负重物行走人群，或长时行走易疲乏的体弱者应用。

技术领域

本发明涉及一种基于规律行走步态学习的助力外骨骼装置，针对健全人，使其在行走、背负重物时减轻其使用者的负担，属于人体辅助装置领域。

背景技术

目前国内外外骨骼主要分为两类，助残外骨骼和助力外骨骼。助残外骨骼主要应用于下肢有残疾的残疾人，使重新获得正常行走能力。助力外骨骼主要针对健全人，使其在行走、背负重物时减轻其使用者的负担。

目前可以检索到的助力外骨骼，如美国加州大学的BLEEX助力外骨骼、洛克希德·马丁公司的HULC助力外骨骼，采用灵敏度放大控制、阻抗控制等方法控制外骨骼上的执行器跟随人体运动并助力；日本的HAL助力外骨骼，通过采集人体的生物肌电信号对外骨骼上的执行器进行控制，以使其达到对人体运动助力的效果。以上方法均为根据力、肌电等传感器采集的实时信号进行分析，实时输出控制指令对外骨骼上的执行器进行控制。以上外骨骼不能预测人体运动，只能以人体的当前运动为目标，使外骨骼被动且滞后的跟随人体肢体运动，提供的助力为被动助力。当人体不主动运动时，外骨骼亦不能运动，无法实现主动助力。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于规律行走步态学习的助力外骨骼装置，能够预测人体运动，为人体运动提供主动助力，助力效果更高效。

本发明的技术解决方案是：一种基于规律行走步态学习的助力外骨骼装置，包括外骨骼关节结构、绑缚带、检测装置、控制器和驱动装置；所述外骨骼关节结构与人体待助力运动关节匹配，并通过绑缚带与人体待助力运动关节绑缚在一起，在绑缚带与外骨骼关节结构固连处安装有检测装置，驱动装置安装在外骨骼关节结构上；

检测装置：用于检测人体待助力运动关节与外骨骼关节结构间的相对运动信息，输出给控制器；

控制器：接收检测装置输出的相对运动信息和驱动装置输出的外骨骼关节结构的运动角度，在人体规律运动开始时，获得被动运动指令输出给驱动装置，同时获取人体步态运动规律，结合相对运动信息，得出主动运动指令，将被动运动指令和主动运动指令进行融合后得到混合运动指令，输出给驱动装置；

驱动装置：采集外骨骼关节结构的运动角度，输出给控制器；根据被动运动指令驱动外骨骼关节结构跟随人体待助力运动关节运动，实现被动助力；根据混合运动指令驱动外骨骼关节结构带动人体待助力运动关节运动，实现主动助力。

在主动助力的过程中，如果检测装置检测到人体待助力运动关节与外骨骼关节结构间相对运动偏差大于预先设定的阈值，则人体运动规律发生变化，此时，进入下一轮被动助力再到主动助力的过程。

所述控制器包括关节跟随运动控制单元、规律运动行为学习单元和指令综合单元；

关节跟随运动控制单元：接收检测装置输出的相对运动信息和驱动装置输出的外骨骼关节结构的运动角度，在人体规律运动开始时，利用阻抗控制算法得出被动运动指令，输出给驱动装置；

规律运动行为学习单元：接收检测装置输出的相对运动信息和驱动装置输出的外骨骼关节结构运动角度，进行人体规律运动步态的学习，进而得到人体步态运动规律，输出给指令综合单元；