[发明专利]一种外骨骼助力检测装置及其评价方法

权利要求书

1.一种外骨骼助力检测装置的助力评价方法，其特征在于，所述外骨骼助力检测装置包括：固定装置和传感器模块，所述固定装置包括弧形固定单元和柔性固定单元，所述弧形固定单元与所述柔性固定单元相互连接；所述传感器模块设置在所述弧形固定单元上；

所述外骨骼助力检测装置的助力评价方法包括如下步骤：

步骤S1：通过多体动力学建模方法，建立人体下肢的动力学方程；

步骤S2：通过惯性测量单元，获取人体行走时下肢姿态的变化规律；

步骤S3：根据人体下肢姿态的变化规律，求解出人体在未穿戴外骨骼下自主运动时，肌肉、肌腱组织施加在髋关节上的作用力矩T′；

步骤S4：当人体穿戴上外骨骼后，通过助力检测装置获取外骨骼施加助力后各压力传感器的数据变化规律；

步骤S5：根据各压力传感器的数据变化规律，求解出外骨骼施加在髋关节上的作用力矩T；

步骤S6：根据肌肉、肌腱组织施加在髋关节上的作用力矩T′和外骨骼施加在髋关节上的作用力矩T，计算出外骨骼对髋关节的助力效率η；

所述外骨骼对髋关节的助力效率η的求解过程包括：

建立关于右腿的全局坐标系O-XYZ和刚体坐标系A-xyz，其中全局坐标系的原点选择在髋关节中心处，刚体坐标系的原点选择在腿部绑带中心位置；全局坐标系中X轴的正方向是由髋关节中心指向右腿外侧；全局坐标系中Y轴的正方向是由髋关节中心指向右腿前侧；人体在直立状态下，刚体坐标系中x轴和y轴的正方向分别与全局坐标系中X轴和Y轴的正方向一致；

为测量外摆/内收的助力大小，在A₁点左右两侧布置一对压力传感器P₁、P₂；为测量前屈/后伸的助力大小，在A₂点前后两侧布置一对压力传感器P₃、P₄；为测量外旋/内旋的助力大小，在A₃点左右两侧布置一对压力传感器P₅、P₆；

人体在行走过程中，通过惯性测量单元测量出大腿的姿态变化规律，得到大腿绕髋关节运动时的旋转变换矩阵R；

则经过旋转变换矩阵R后，的表达式为：

其中，分别为在初始状态(人体直立状态)下的对应值；

根据各压力传感器的布置方位，可得到压力传感器P_j(j＝1,2,L,6)的压力方向S_j；外骨骼施加在人体上的助力大小可通过压力传感器显示，假设压力传感器P_j(j＝1,2,L,6)受到的压力大小为f_j；

则压力传感器P_j对应的助力力矩

助力装置作用在髋关节上总助力力矩

助力装置作用在髋关节上助力效率

2.根据权利要求1所述的外骨骼助力检测装置的助力评价方法，其特征在于，所述弧形固定单元包括Ⅰ型弧形架和Ⅱ型弧形架，所述Ⅰ型弧形架设置在所述Ⅱ型弧形架的外弧面上；所述Ⅰ型弧形架的外弧面设有传感器固定块，所述传感器固定块的两侧设有传感器定位槽Ⅰ，所述Ⅰ型弧形架的外弧面还设有惯性传感器固定平台，所述Ⅰ型弧形架的内弧面两侧设有对称的传感器固定凸台，所述传感器固定凸台上设有传感器定位槽Ⅱ；所述Ⅱ型弧形架上设有与所述传感器固定凸台相匹配的传感器固定凸台嵌合结构，所述传感器固定凸台嵌合结构的对侧还设有所述传感器定位槽Ⅱ，所述Ⅱ型弧形架的两侧设有柔性单元安装挂耳。

3.根据权利要求2所述的外骨骼助力检测装置的助力评价方法，其特征在于，所述传感器模块包括惯性测量单元和压力传感器，所述惯性测量单元安装在所述惯性传感器固定平台上，所述压力传感器的数量为6个，6个所述压力传感器分别安装在所述传感器定位槽Ⅰ和所述传感器定位槽Ⅱ上。

4.根据权利要求3所述的外骨骼助力检测装置的助力评价方法，其特征在于，所述传感器固定块的下端设有矩形限位槽，所述矩形限位槽内设有连接板，所述连接板为前端面呈弧形的T型板，所述连接板上设有Ⅰ型支座和Ⅱ型支座，所述Ⅰ型支座和所述Ⅱ型支座分别设置在所述传感器固定块的两端并对所述压力传感器的位置进行限制；所述Ⅱ型弧形架的内弧面连接有压板，所述压板对所述传感器定位槽Ⅱ上的所述压力传感器的位置进行限制。