[发明专利]一种可穿戴柔性膝关节外骨骼及其控制方法

摘要

本发明公开了一种可穿戴柔性膝关节外骨骼及其控制方法，可穿戴柔性膝关节外骨骼主要由控制与气压输出系统、传感系统和柔性助力执行系统组成。控制与气压输出系统对传感系统采集到的用户运动信息和柔性助力执行系统压力信息进行分析，采用步态估算模型和膝关节力矩模型等算法计算得到气动力开关、压力和流速等相应指令，执行相应动作，为柔性助力执行系统提供定量的正压或者负压。柔性助力执行系统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大腿和小腿，输入负压时柔性助力执行系统产生辅助弯曲的转矩，辅助膝关节弯曲；从负压切换到正压输入时柔性助力执行系统产生由弯曲变为伸展的转矩，辅助膝关节伸展，达到助行的目的。

主权项

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。