CN108283564A - 一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼系统，包括智能手机、外骨骼本体部分和控制盒部分；智能手机通过无线信号，与控制盒部分通讯，获取人体运动数据，并对人体运动进行监控，向控制盒部分传输命令信号，使外骨骼本体部分产生相应的运动模式或动作；本发明一种轻量型绳驱动智能膝关节外骨骼，其小腿外骨骼和足部外骨骼由3D打印加工而成，选用尼龙、树脂等材料，较传统金属骨架的外骨骼具有重量轻、惯性小的优点；本发明一种轻量型绳驱动智能膝关节外骨骼，选用鲍登线驱动，可将电机、减速器等置于控制盒内，并绑缚于腰间，进一步减轻了腿部外骨骼的重量。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼系统，可应用于下肢康复训练与下肢助力行走。
背景技术
脑卒中是一种高发病率的世界范围疾病，它的存在严重影响了人类的生命与健康。据统计，我国现有脑卒中患者700多万，并以每年200万的速度持续增长。脑卒中对行走功能有着严重的影响，有分析表明，接近2/3的脑卒中幸存者将失去行走能力。其中，患者踝关节的主要表现有小腿胫骨前肌和外侧肌群麻痹无力，后侧肌肉痉挛等症状，进而导致步态不稳、步速减小，甚至会使患者在行走过程中摔倒，这严重影响了患者的正常行走和安全。因此，开展关于踝关节康复训练与助力器械的研究意义重大。
外骨骼设备是一种可穿戴装置，主要应用于瘫痪病人的康复训练及正常人的助力行走。目前，国内外研究人员对下肢外骨骼设备的研究主要集中于含金属骨架的刚性外骨骼，且主要考虑对髋关节与膝关节的驱动，忽略了踝关节的重要作用。此外，由于其机械本体主要由金属构件组成，所以此类外骨骼大多较重，且耗能较大，严重影响了其使用效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种集成智能手机技术与步态识别技术的轻量化的绳驱动智能踝关节外骨骼系统。
本发明的一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼系统，它包括智能手机、外骨骼本体部分和控制盒部分，三者协调统一，共同组成所述智能踝关节外骨骼系统。其中，所述智能手机通过无线信号，向所述外骨骼本体传输命令信号，进而产生相应的运动模式或动作。所述外骨骼本体包含有安装于人体足底的压力传感器和安装于小腿的惯性测量单元等传感设备，用于测量人在行走过程中的运动学和动力学信号。在使用智能踝关节外骨骼系统进行康复训练或助力行走之前，首先通过所述压力传感器和所述惯性测量单元测得人体运动数据，并使用BP神经网络进行训练学习，得到从运动数据到关节驱动角度之间的映射模型。所述外骨骼本体部分包括通过绑带绑缚在小腿上的小腿外骨骼、通过绑带绑缚于足部的足部外骨骼、安装于所述小腿外骨骼，并牵动足部外骨骼运动的鲍登线，所述小腿外骨骼和所述足部外骨骼通过铆钉和扭簧形成弹性铰接。所述小腿外骨骼上留有小腿绑带安装孔和扭簧固定孔，所述足部外骨骼上加工有足部绑带安装孔和扭簧固定孔。所述控制盒部分包括控制盒体、通过所述控制盒体上的控制盒盖安装孔安装在其上的控制盒盖、安装固定在控制盒体内部的无线信号模块、单片机模块、锂电池、电机驱动器模块、电机上固定件和电机下固定件，以及夹紧在所述电机上固定件和所述电机下固定件之间的电机、安装于电机一端并用于测量电机位置和速度的编码器、以及安装在电机输出轴上的绕线轮。所述电机含有减速器，所述鲍登线的钢丝缠绕并固定在所述绕线轮上。所述小腿外骨骼、所述足部外骨骼使用3D打印加工。
所述绳驱动智能踝关节外骨骼系统的工作过程为：
使用智能踝关节外骨骼系统进行康复训练或助力行走之前，首先通过所述压力传感器和所述惯性测量单元测得人体运动数据，并使用BP神经网络进行训练学习，得到从运动数据到关节驱动角度之间的映射模型，并将该映射模型参数输入所述单片机模块中。在康复训练或助力行走过程中，所述单片机模块采集所述压力传感器和所述惯性测量单元测得的运动数据，并通过上述建立的映射模型得到关节驱动信号，进而驱动所述电机、依次带动所述绕线轮、所述鲍登线和所述足部外骨骼，从而使所述足部外骨骼产生绕铰接点的旋转运动，最终带动足部屈曲。所述扭簧在工作过程中起到复位、保持足部姿态的作用。所述智能手机一方面通过无线信号模块获取人体运动数据，并对人体运动进行监控；另一方面可以发送运动模式选择信号，如慢速模式、快速模式等。
本发明的优点在于：
(1)本发明一种轻量型绳驱动智能膝关节外骨骼，其小腿外骨骼和足部外骨骼由3D打印加工而成，选用尼龙、树脂等材料，较传统金属骨架的外骨骼具有重量轻、惯性小的优点；
(2)本发明一种轻量型绳驱动智能膝关节外骨骼，选用鲍登线驱动，可将电机、减速器等置于控制盒内，并绑缚于腰间，进一步减轻了腿部外骨骼的重量；
(3)本发明一种轻量型绳驱动智能膝关节外骨骼，集成了智能手机、传感器、外骨骼与机器学习等技术，构成了一个带反馈与学习功能的智能机器人系统；
(4)本发明一种轻量型绳驱动智能膝关节外骨骼，关节通过扭簧复位和保持姿态，同时具有一定的柔性，具有缓冲和保证安全的作用。
附图说明
图1是本发明所述一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼的系统框架结构示意图。
图2是本发明所述一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼的穿戴结构示意图。
图3是本发明所述一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼的外骨骼本体结构爆炸图。
图4是本发明所述一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼的控制盒组成结构示意图。
图5是本发明所述一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼得信号传递路线图。
图中：
1-1.控制盒体 1-2.无线信号模块 1-3.单片机模块 1-4.锂电池
1-5.电机驱动器模块 1-6.绕线轮 1-7.电机 1-8.编码器
1-9-1.电机上固定件 1-9-2.电机下固定件 C.控制盒盖安装孔 2-1.小腿外骨骼
2-2.足部外骨骼 2-3.压力传感器 2-4.惯性测量单元 2-5.铆钉
2-6.扭簧 2-7.鲍登线 B1.小腿绑带安装孔 B2.足部绑带安装孔
H1,H2.扭簧固定孔
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示为本发明一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼的系统框架结构示意图，该智能踝关节外骨骼系统包括智能手机、外骨骼系统硬件，以及用于信号检测的传感器部分。智能手机可进行外骨骼系统模式选择等操作，并对采集的信号进行储存分析，外骨骼接收智能手机和传感器信号，并进行处理，辅助人体踝关节运动，进而形成一个闭环系统。
如图2、3所示为本发明所述一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼的穿戴结构示意图和外骨骼本体结构爆炸图，外骨骼本体包含有安装于人体足底的压力传感器2-3和安装于小腿的惯性测量单元2-4传感设备(足底压力传感器用于测量足底压力、惯性测量单元测量小腿姿态)，用于测量人在行走过程中的运动学和动力学信号。在使用智能踝关节外骨骼系统进行康复训练或助力行走之前，首先通过所述压力传感器2-3和所述惯性测量单元2-4测得人体运动数据，并使用BP神经网络进行训练学习，得到从运动数据到关节驱动角度之间的映射模型。外骨骼本体部分还包括通过绑带绑缚在小腿上的小腿外骨骼2-1、通过绑带绑缚于足部的足部外骨骼2-2、安装于所述小腿外骨骼2-1，并牵动足部外骨骼2-2运动的鲍登线2-7，所述小腿外骨骼2-2和所述足部外骨骼2-1通过铆钉2-5和扭簧2-6形成弹性铰接。所述小腿外骨骼2-2上留有小腿绑带安装孔B1和扭簧固定孔H1，所述足部外骨骼上加工有足部绑带安装孔B2和扭簧固定孔H2。所述小腿外骨骼2-1、所述足部外骨骼2-2使用3D打印加工。
如图4所示为本发明所述一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼的控制盒组成结构示意图。控制盒部分包括控制盒体1-1、通过所述控制盒体1-1上的控制盒盖安装孔C安装在其上的控制盒盖、安装固定在控制盒体内部的无线信号模块1-2、单片机模块1-3、锂电池1-4、电机驱动器模块1-5、电机上固定件1-9-1和电机下固定件1-9-2，以及夹紧在所述电机上固定件1-9-1和所述电机下固定件1-9-2之间的电机1-7、安装于电机1-7一端并用于测量电机位置和速度的编码器1-8、以及安装在电机1-7输出轴上的绕线轮1-6。所述电机1-7含有减速器，所述鲍登线2-7的钢丝缠绕并固定在所述绕线轮1-6上。
由如图5所示为本发明所述一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼得信号传递路线图可见，所述绳驱动智能踝关节外骨骼系统的工作过程为：
使用智能踝关节外骨骼系统进行康复训练或助力行走之前，首先通过所述压力传感器2-3和所述惯性测量单元2-4测得人体运动数据，并使用BP神经网络进行训练学习，得到从运动数据到关节驱动角度之间的映射模型，并将该映射模型参数输入所述单片机模块1-3中。在康复训练或助力行走过程中，所述单片机模块1-3采集所述压力传感器2-3和所述惯性测量单元2-4测得的运动数据，并通过上述建立的映射模型得到关节驱动信号，进而驱动所述电机1-7、依次带动所述绕线轮1-6、所述鲍登线2-7和所述足部外骨骼2-2，从而使所述足部外骨骼2-2产生绕铰接点的旋转运动，最终带动足部屈曲。所述扭簧2-6在工作过程中起到复位、保持足部姿态的作用。所述智能手机一方面通过无线信号模块1-2获取人体运动数据，并对人体运动进行监控；另一方面可以发送运动模式选择信号，如慢速模式、快速模式等。
Claims (6)
1.一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼系统，其特征在于，包括智能手机、外骨骼本体部分和控制盒部分；
智能手机通过无线信号，与控制盒部分通讯，获取人体运动数据，并对人体运动进行监控，向控制盒部分传输命令信号，使外骨骼本体部分产生相应的运动模式或动作；
使用智能踝关节外骨骼系统进行康复训练或助力行走之前，通过外骨骼本体部分的压力传感器和惯性测量单元，测得人体运动数据，并使用BP神经网络进行训练学习，得到从运动数据到关节驱动角度之间的映射模型，将映射模型参数输入控制盒部分的单片机模块中；
在康复训练或助力行走过程中，控制盒部分的单片机模块采集外骨骼本体部分的压力传感器和惯性测量单元测得的运动数据，并通过建立的映射模型得到关节驱动信号，进而驱动外骨骼本体部分运动，辅助人体踝关节运动。
2.根据权利要求1所述的一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼系统，其特征在于，所述的外骨骼本体部分，包含有安装于人体足底的压力传感器和安装于小腿的惯性测量单元，足底的压力传感器用于测量足底压力，惯性测量单元测量小腿姿态，外骨骼本体部分还包括通过绑带绑缚在小腿上的小腿外骨骼、通过绑带绑缚于足部的足部外骨骼、安装于小腿外骨骼，并牵动足部外骨骼运动的鲍登线，小腿外骨骼和足部外骨骼通过铆钉和扭簧形成弹性铰接。
3.根据权利要求2所述的一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼系统，其特征在于，所述的小腿外骨骼上设有小腿绑带安装孔和扭簧固定孔，足部外骨骼上设有有足部绑带安装孔和扭簧固定孔。
4.根据权利要求2所述的一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼系统，其特征在于，所述的小腿外骨骼、足部外骨骼采用3D打印加工。
5.根据权利要求1所述的一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼系统，其特征在于，所述的控制盒部分包括控制盒体、通过控制盒体上的控制盒盖安装孔安装在其上的控制盒盖、安装固定在控制盒体内部的无线信号模块、单片机模块、锂电池、电机驱动器模块、电机上固定件和电机下固定件，以及夹紧在电机上固定件和电机下固定件之间的电机、安装于电机一端并用于测量电机位置和速度的编码器、以及安装在电机输出轴上的绕线轮，所述电机含有减速器，所述鲍登线的钢丝缠绕并固定在所述绕线轮上。
6.根据权利要求1所述的一种轻量型绳驱动智能踝关节外骨骼系统，其特征在于，所述的在康复训练或助力行走过程中，单片机模块采集所述压力传感器和所述惯性测量单元测得的运动数据，并通过建立的映射模型得到关节驱动信号，进而驱动所述电机、依次带动绕线轮、鲍登线和足部外骨骼，从而使所述足部外骨骼产生绕铰接点的旋转运动，最终带动足部屈曲，辅助人体踝关节运动。
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