[发明专利]一种可穿戴柔性膝关节外骨骼及其控制方法

权利要求书

1.一种可穿戴柔性膝关节外骨骼，包括：

控制与气压输出系统，包括气压输出模块和控制模块，用于所述可穿戴柔性膝关节外骨骼数据接收、处理、指令发送以及气压输出控制；

柔性膝关节助力执行系统，用于穿戴在用户下肢的双腿大小腿以及膝关节相应部位，将控制与气压输出系统提供的正压或者负压气动力传递给用户左右腿的大腿和小腿；所述柔性膝关节助力执行系统能够在输入负压时产生辅助弯曲的作用力，辅助膝关节弯曲，并且在从负压切换到正压输入时产生由弯曲变为伸展的作用力，辅助膝关节伸展；

传感系统，主要包括气压传感器和惯性测量单元，用于实时检测用户下肢的运动信息，以及采集所述柔性膝关节助力执行系统的压力信息；所述传感系统还能够将下肢运动信息和所述柔性膝关节助力执行系统的压力信息实时反馈给所述控制与气压输出系统；

其特征在于，所述气压输出模块主要包括微型负压气泵、驱动器、两位三通负压气阀、电池、控制箱本体、气管和数据线；所述气管用于在所述控制与气压输出系统和所述柔性膝关节助力执行系统之间的气流输送；

所述控制模块能够基于步态估算模型、膝关节力矩模型两个控制算法对所述气压输出模块进行控制；

所述控制与气压输出系统对所述传感系统采集到的用户下肢运动信息和所述柔性膝关节助力执行系统的压力信息进行分析，采用步态估算模型和膝关节力矩模型的控制算法计算得到相应指令，执行相应动作，为所述柔性膝关节助力执行系统提供定量的正压或者负压，所述柔性膝关节助力执行系统在定量的正压或负压作用下，根据行走模式，按照用户的行走姿态实时为膝关节提供所需要的辅助力矩；

所述控制模块能够根据所述惯性测量单元反馈的膝关节角度信息，基于所述步态估算模型计算得到人体的行走姿态；

所述膝关节力矩模型用于根据行走姿态以及所述气压传感器反馈的柔性膝关节执行器气压值，计算得到所述驱动器的转速指令以及所述两位三通负压气阀开关指令；

所述微型负压气泵和所述两位三通负压气阀按照所述控制模块的指令执行相应动作，为所述柔性膝关节助力执行系统提供定量的正压或者负压；

所述柔性膝关节助力执行系统在定量的正压或负压作用下，按照用户的行走姿态实时为膝关节提供所需要的辅助力矩，实现助行的目的；

所述步态估算模型具有角度判断模式和角速度判断模式；

所述角速度判断模式是控制模块根据所述惯性测量单元实时检测的膝关节的角度变化信息，绘制得到角度曲线；所述角度曲线出现的波峰或者波谷，表示人体行走的步态发生切换，即膝关节由弯曲状态变为伸展状态或是由伸展状态变为弯曲状态；所述控制模块能够对所述角度曲线实时求导，得到角度的速度曲线，根据速度曲线，实时进行状态判断和切换，并且为了防止状态误判的发生，需要连续多次判定速度曲线的状态，当多次判定结果一致时，再进行状态切换；

所述角度判断模式是所述控制模块根据当前运动状态，对左右腿的关节角度进行实时求导，获得角度的斜率变化，根据斜率变化判断出左右腿膝关节角度的波谷位置，所述控制模块根据波谷位置，实时计算左腿关节角度曲线与右腿关节角度曲线相邻波谷的时间间隔周期T，根据周期T可以实现运动状态的预判机制，在人体运动状态未到达波谷的时候进行状态切换，解决了状态判断滞后问题。

2.根据权利要求1所述的可穿戴柔性膝关节外骨骼，其特征在于，所述膝关节力矩模型是根据步态估算模型得到的行走姿态，通过查表的方式得到两位三通负压气阀开关量，以及气压设定值，根据气压设定值以及所述柔性膝关节助力执行系统实际气压值，选取合适的微型负压气泵转速指令，所述控制模块通过上述计算，得到所述可穿戴柔性膝关节外骨骼所需的两位三通负压气阀动作指令和微型负压气泵转速指令。

3.根据权利要求1所述的可穿戴柔性膝关节外骨骼，其特征在于，所述柔性膝关节助力执行系统包括：抽气转动型气动人工肌肉、大腿固定支架、小腿固定支架、铰链和柔性固定带，所述抽气转动型气动人工肌肉产生的扭矩能够通过所述大腿固定支架、小腿固定支架以及所述柔性固定带传递到用户大腿和小腿，形成辅助伸展和弯曲的转矩。

4.根据权利要求3所述的可穿戴柔性膝关节外骨骼，其特征在于，所述抽气转动型气动人工肌肉采用紧固件固定在所述大腿固定支架和小腿固定支架上；

所述大腿固定支架和小腿固定支架采用非金属材料或者金属材料。