发明名称:一种拉索动力装置及其动力系统和� �力设备及其控制方 法

[0001] 技术领域

[0002] 本申请涉及穿戴设备， 更具体地说是指一种拉索动力装置及其动力系 统和助力 设备及其控制方法。

[0003] 背景技术

[0004] 人类在日常工作生活中常常遇到希望增强人体 腿部力量的情况， 可穿戴外骨骼 机器人是满足这一类应用的装置， 尤其是带有动力的下肢助力外骨骼机器人； 但现有技术中这类装置通常比较笨重， 如专利 200680006514.1、 专利 2007800271 95.7均披露了这类技术， 采用该技术的装置用户穿戴体验不佳。

[0005] 现有技术中， 有专门针对膝关节进行助力的装置， 这类装置针对上述笨重设备 进行大幅度裁剪， 从而可以大大减轻设备重量， 专利 US9532894B2、 CN2018103 683215均披露了一种膝关节助力的技术， 其采用较为轻便的助力装置实现对穿 戴者下肢的助力， 用户穿戴体验有较大改善； 但这类技术也存在较为明显的缺 陷： 其动力装置放置在膝关节处， 动力装置包含的电机、 减速机及相关传动机 构会带来重量， 动力装置的重量增加穿戴者腿部重量和惯量， 此类装置髋关节 不带有助力， 穿戴者在抬腿时或上楼时会感觉不适， 造成长时间穿戴体验不佳

[0006] 申请内容

[0007] 本申请的目的在于克服现有技术的缺陷， 提供一种拉索动力装置及其动力系统 和助力设备及其控制方法。

[0008] 为实现上述目的， 本申请采用以下技术方案：

[0009] 一种拉索驱动动力装置， 包括动力件， 联接于动力件动力输出端的减速机构及 联接于减速机构输出端的拉索驱动机构； 所述动力件的动力通过减速机构减速 后， 再通过拉索驱动机构将动力输出。

[0010] 其进一步技术方案为： 所述动力件为电机， 包括定子外壳及转子； 所述定子外 壳呈凹腔结构， 容纳所述转子， 且转子与减速机传动联接； 所述转子旋转联接 于定子外壳的凹腔内。

[0011] 其进一步技术方案为： 所述定子外壳中心设有定子环状凸起， 且所述定子环状 凸起中心设有定子中心通孔； 所述定子线圈固定于所述定子外壳凹腔内； 所述 转子中心设有转子环状凸起， 且所述转子环状凸起中心设有转子中心通孔； 所 述转子环状凸起旋转联接于定子环状凸起的外 侧或内侧。

[0012] 其进一步技术方案为： 所述减速机构包括钢轮、 旋转轮及减速发生器； 所述减 速发生器与动力件的动力输出端固定联接； 所述钢轮为圆环结构， 所述减速发 生器于其内侧旋转运动； 所述旋转轮设于减速器与钢轮之间， 且与拉索驱动机 构传动联接； 所述旋转轮旋转联接于钢轮的空腔内壁。

[0013] 其进一步技术方案为： 所述减速机构还包括钢轮连接板； 所述钢轮固定于钢轮 连接板内腔， 钢轮连接板与定子外壳固定联接。

[0014] 其进一步技术方案为： 所述拉索驱动机构包括拉索驱动轮； 所述拉索驱动轮旋 转联接于钢轮连接板； 所述拉索驱动轮直接或通过设有的旋转轮连接 板与旋转 轮固定联接， 以使旋转轮驱动拉索驱动轮转动； 所述拉索驱动轮外侧设有用于 缠绕拉索的拉索驱动轮凹槽。

[0015] 其进一步技术方案为： 还包括编码器机构； 所述编码器机构包括中心梁、 第一 磁体和第一磁场感应电路； 所述中心梁固定于定子外壳的定子中心通孔， 且穿 过所述减速发生器设有的内孔， 并延伸至旋转轮内腔； 所述第一磁体固定于减 速发生器上， 且朝向旋转轮内腔； 所述第一磁场感应电路固定于中心梁上， 且 靠近于第一磁体；

[0016] 或，

[0017] 还包括编码器机构； 所述编码器机构包括中心梁、 第一磁体和第一磁场感应 电路； 所述中心梁通过定子中心通孔延伸至旋转轮内 腔； 所述中心梁的內端与 减速发生器固定联接， 外端延伸至定子外壳边缘， 且第一磁体固定于外端； 所 述第一磁场感应电路固定于定子中心通孔外侧 ， 且近于第一磁体。

[0018] 一种拉索驱动动力系统， 包括上述的动力装置， 大腿杆及小腿杆； 所述动力装 置固定于大腿杆上端、 穿戴者腰部或背部； 所述大腿杆下端旋转联接有膝关节 转盘， 且所述膝关节转盘通过设有的拉索与动力装置 传动联接； 所述小腿杆固 定于膝关节转盘， 或小腿杆与膝关节转盘为一体结构； 所述动力装置驱动拉索 放出或收回， 以使拉索处于松弛状态或张紧状态； 所述拉索处于松弛状态时， 小腿杆相对于大腿杆自由转动； 所述拉索处于张紧状态时， 所述小腿杆相对于 大腿杆伸展。

[0019] 其进一步技术方案为： 所述大腿杆或钢轮连接板及其延伸机构上设有 拉索张力 传感器； 所述拉索张力传感器包括应变梁、 应变片以及惰轮； 所述应变梁一端 固定于所述大腿杆或钢轮连接板及其延伸机构 上， 另一端与所述惰轮旋转联接 ; 所述应变片紧贴在所述应变梁上， 所述拉索挤压于惰轮； 所述拉索张紧时挤 压所述惰轮， 进而应变梁使产生形变， 所述形变由所述应变片感应。

[0020] 其进一步技术方案为： 还包括膝关节角度传感器； 所述膝关节角度传感器包括 第二磁体和第二磁场感应电路； 所述第二磁体与所述第二磁场感应电路分别固 定于大腿杆或其延伸结构上以及膝关节转盘或 其延伸结构上， 或者分别固定于 所述膝关节转盘或其延伸结构以及大腿杆或其 延伸结构上； 所述第二磁场感应 电路靠近所述第二磁体。

[0021] 一种轻便助力设备， 包括动力系统、 能源系统、 控制系统、 人机连接以及运动 传感系统， 所述动力系统为上述的拉索驱动动力系统； 所述控制系统通过控制 所述拉索驱动动力系统的动力装置， 以使拉索的张紧或放松， 从而控制穿戴者 下肢伸展或自由转动； 所述运动传感系统与控制系统电性连接。

[0022] 其进一步技术方案为： 所述人机连接包括腰部绑带、 大腿绑带、 小腿绑带， 且 分别与穿戴者腰部、 大腿及小腿相应位置固定； 还包括腰部连接段， 且所述腰 部连接段上端与腰部绑带固定联接， 其下端与大腿杆上端旋转联接； 所述大腿 绑带与所述大腿杆固定联接， 所述小腿绑带与小腿杆固定联接。

[0023] 其进一步技术方案为： 所述拉索动力驱动装置设置于穿戴者腰部或背 部， 并于 所述髋关节处设置惰轮； 所述拉索绕于所述惰轮， 并且其下端与膝关节转盘联 接。

[0024] 其进一步技术方案为： 所述运动传感系统包括所述膝关节角度传感器 ；

[0025] 或还包括髋关节角度传感器； 所述髋关节角度传感器设置于所述腰部连接段 与大腿杆旋转联接处， 以测量所述大腿杆与所述腰部连接段相对角度 ；

[0026] 或 /和，

[0027] 所述运动传感器系统还包括足薄膜底压力传感 器或足踏开关， 用以感知穿戴 者足部是否触地； 所述足薄膜底压力传感器或足踏开关设置于穿 戴者的足部下 方；

[0028] 或 /和，

[0029] 所述运动传感系统还包括若干惯性传感器， 联接所述大腿杆、 小腿杆、 大腿 绑带、 小腿绑带或其任意一种组合上， 用以感知穿戴者腿部运动角速度和 /或加 速度。

[0030] 其进一步技术方案为： 所述能源系统为电池组； 所述控制系统包括处理器、 存 储器及通信接口； 所述能源系统为所述控制系统及动力系统内动 力件和运动传 感系统供电， 所述控制系统电连接所述动力系统及运动传感 系统， 其根据所述 动力系统及运动传感系统内传感器测量的信息 判断穿戴者当前的步态， 并驱动 动力装置工作在跟随转动、 给定力矩输出、 低阻尼、 高阻尼或弹簧状态。

[0031] 一种助力设备的控制方法， 包括以下步骤：

[0032] 步骤一、 所述控制系统根据所述运动传感系统测量值判 断穿戴者足部是否处 于触地状态， 如果是则转步骤二， 否则转步骤三；

[0033] 步骤二、 所述控制系统控制所述拉索驱动装置收缩拉索 ， 直到所述拉索张力 传感器感测到拉索张力达到设定值； 转步骤一；

[0034] 步骤三、 所述控制系统控制所述拉索驱动装置伸出拉索 ， 直到所述拉索张力 传感器测到拉索张力为零或其长度达到设定值 ， 转步骤一。

[0035] 其进一步技术方案为： 所述步骤一， 判断穿戴者足部是否处于触地状态时， 所 述控制系统根据运动传感系统的惯性传感器、 髋关节角度传感器、 拉索张力传 感器、 膝关节角度传感器测量值的一种或多种组合判 断穿戴者足部是否触地； 判断触地的方法包括惯性传感器加速度值门限 法、 惯性传感器倾角门限法、 拉 索张紧传感器反馈法或其组合。

[0036] 其进一步技术方案为： 设置触地标志或离地标志， 当发生触地事件， 设置触地 标志为触地， 当发生离地事件， 设置离地标志为离地； [0037] 所述触地事件包括以下一个或多个条件组合：

[0038] 条件一、 触地标志为触地；

[0039] 条件二、 设置于小腿杆上惯性传感器检测到加速度值超 过设定值；

[0040] 条件三、 膝关节角度传感器测量值变化率大于设定值；

[0041] 所述离地事件包括以下一个或多个条件组合：

[0042] 条件一、 当离地标志为离地；

[0043] 条件二， 设置于小腿杆上惯性传感器检测到加速度值超 过设定值；

[0044] 条件三、 膝关节角度传感器测量值变化率大于设定值。

[0045] 其进一步技术方案为： 所述步骤一判断穿戴者足部是否处于触地状态 ， 通过所 述足底压力传感器大于设定阈值或所述脚踏开 关为开， 则判断所述穿戴者足部 处于触地状态， 否则处于离地状态。

[0046] 其进一步技术方案为： 所述步骤二， 控制拉索收紧直到张力达到设定值， 比较 所述张力传感器测量值和设定值， 采用反馈控制算法不断控制所述拉索达到设 定目标， 所述反馈控制算法包括 PID、 模糊 PID、 滑膜控制中至少一个。

[0047] 其进一步技术方案为： 所述步骤三， 控制拉索为松弛状态， 此时张力传感器测 量值为零， 根据所述膝关节角度传感器测量值和 /或髋关节角度传感器测量值控 制所述拉索驱动装置与所述关节转盘线速度旋 转， 使得所述拉索松弛程度保持 不变， 所述控制算法包括 PID、 模糊 PID、 滑膜控制中至少一个。

[0048] 本申请与现有技术相比的有益效果是：

[0049] 第一磁体和第一磁场感应电路采用非接触耦合 方式实现了电机转动角度的测量 ， 简单、 轻薄、 成本低， 大大简化了机械结构设计复杂度。 磁体和磁场感应电 路之间没有接触， 不会有磨擦， 不会造成机械摩损， 耐用性好。 磁体产生的磁 场是静态磁场， 不易受环境干扰影响， 可靠性高； 所述第一磁体和第一磁场感 应电路均设置于谐波腔体内， 结构紧凑， 空间利用率高。

[0050] 采用第二磁体和第二磁场感应电路非接触耦合 方式实现了大腿杆、 小腿杆之间 相对角度的测量， 简单、 轻薄、 低成本、 无磨损、 可靠性高。

[0051] 本申请拉索驱动动力装置通过采用精简后的谐 波减速器， 将动力件通过精简的 谐波减速器传递至拉索驱动机构， 达到减轻动力装置重量、 提高能量密度的目 的。 基于拉索驱动动力装置的动力系统， 采用拉索传动的方式输出动力， 从而 可以将动力装置上移至穿戴者腰部附近， 减轻腿部惯量， 达到提高穿戴灵活性 、 机动性的目的。 基于动力系统的轻便助力设备， 集成有电机旋转编码器、 膝 关节角度传感器、 髋关节角度传感器、 拉索张力传感器 （也即膝关节扭矩传感 器） 、 多个惯性传感器， 能同时对电机转动角度、 大小腿相对转动角度、 腰部 和大腿相对转动角度以及大小腿相对扭矩情况 进行测量， 有助于助力装置控制 系统提升外骨骼动力性能， 且成本低、 可靠性高。

[0052] 下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步 描述。

[0053] 附图说明

[0054] 图 1为本申请一种拉索驱动动力装置实施例 1剖面示意图；

[0055] 图 2为本申请一种拉索驱动动力装置实施例 2剖面示意图；

[0056] 图 3为本申请一种拉索驱动动力系统的上半部分� �构示意图；

[0057] 图 4为本申请一种拉索驱动动力系统的膝关节部� �结构示意图；

[0058] 图 5为本申请一种拉索驱动动力系统的膝关节部� �正面剖视图；

[0059] 图 6为本申请一种拉索驱动动力系统的拉索张力� �感器剖面结构示意图； [0060] 图 7为图 5的 A处的放大图；

[0061] 图 8为本申请一种拉索驱动动力系统的髋关节剖� �结构示意图；

[0062] 图 9为本申请一种轻便助力设备的实施例 1侧面结构示意图；

[0063] 图 10为本申请一种轻便助力设备的实施例 1正面结构示意图；

[0064] 图 11为本申请一种轻便助力设备的实施例 2侧面结构示意图；

[0065] 图 12为本申请一种轻便助力设备的实施例 2正面结构示意图；

[0066] 图 13为本申请一种轻便助力设备的实施例 3侧面结构示意图；

[0067] 图 14为本申请一种助力设备的控制方法的控制总� ��程图；

[0068] 图 15为本申请一种助力设备的控制方法的步骤 4的控制流程图；

[0069] 图 16为本申请一种助力设备的控制方法的步骤 6的控制流程图；

[0070] 图 17为本申请一种助力设备的控制方法的目标值� ��定曲线示例；

[0071] 图 18为本申请一种助力设备的控制方法的松弛长� ��设定曲线示例。

[0072] 附图标记如下： [0073] 1一动力件； 11一定子外壳； 111一定子环状凸起； 1111一定子中心通孔； 112 一定子凹腔； 12—转子； 121一转子环状凸起； 1211—转子中心通孔； 13—定子 线圈； 14一电机轴承；

[0074] 2—减速机构； 21—钢轮； 211—钢轮连接板； 22—旋转轮； 221—旋转轮连接 板； 23—减速发生器；

[0075] 3—拉索驱动机构； 31—承力轴承； 32—拉索驱动轮； 321—拉索驱动轮凹槽；

[0076] 4一编码器机构； 41—中心梁； 411—中心梁锁紧螺丝； 42—第一磁体； 43—第 一磁场感应电路；

[0077] 1000—动力系统； 1000A—拉索驱动动力装置； 1000B—膝关节转盘； 1000C— 拉索； 1000C1—拉索外壳固定件一； 1000C2—拉索外壳固定件二； 1000D—大 腿杆； 1000E—小腿杆； 1000E1—伸展限位； 1000F—腰部连接段； 1000G—髋 关节； 1001—能源系统； 1002—控制系统； 1003—人机连接； 1003A—腰部绑带 ； 1003B—大腿上绑带； 1003C—大腿下绑带； 1003D—小腿上绑带； 1003E—小 腿护壳； 1003F—小腿下绑带； 1004—运动传感系统； 1004A—拉索张力传感器 ； 1004A1—拉索惰轮； 1004A2—测力感应梁； 1004A3—应变片； 1004B—膝关 节角度传感器； 1004B 1—第二磁体； 1004B2—第二磁场感应电路； 1004C—髋 关节角度传感器； 1004C1—第三磁体； 1004C2—第三磁场感应电路； 1004D— 大腿惯性传感器； 1004E—小腿惯性传感器； 1004F—足底薄膜压力传感器 （或 足踏开关） 。

[0078] 具体实施方式

[0079] 为了更充分理解本申请的技术内容， 下面结合具体实施例对本申请的技术方案 进一步介绍和说明， 但不局限于此。

[0080] 如图 1至图 18为本申请实施例的图纸。

[0081] 紧凑型拉索动力驱动装置实施例 1。

[0082] 一种拉索驱动动力装置 1000A， 如图 1所示， 包括动力件 1、 联接动力件动力输 出端的减速机构 2、 联接减速机构输出端的拉索驱动机构 3以及编码器机构 4。 所 述动力件 1的动力通过减速机构 2减速后， 再通过拉索驱动机构 3将动力输出。

[0083] 其中， 所述动力件 1为电机， 包括定子外壳 11、 转子 12、 定子线圈 13和电机轴 承 14。 所述定子外壳 11为薄壁碗状结构， 带有定子凹腔 112, 其中心带有定子环 状凸起 111， 所述定子环状凸起 111内带有定子中心通孔 1111。 所述定子线圈 13 为环状结构， 固定在所述定子凹腔内。 所述转子 12亦为薄壁碗状结构， 其中心 亦带有转子环状凸起 121， 所述转子环状凸起 121中心带有转子中心通孔 1211 ; 所述电机轴承 14内圈与所述定子环状凸起 111外缘配合， 外圈与转子中心通孔 12 11联接； 所述转子 12为动力件 1的动力输出端， 旋转于定子线圈 13外侧。 转子环 状凸起 121旋转联接于定子环状凸起 111的外侧。

[0084] 所述减速机构 2为谐波减速机， 包括钢轮 21， 与钢轮 21旋转联接的旋转轮 22， 及与旋转轮 22传动联接的减速发生器 23。 钢轮 21为圆环结构， 所述减速发生器 2 3和旋转轮 22在钢轮 21内侧旋转运动。 所述旋转轮 22为凹腔结构， 其凹腔端口设 置于减速发生器 23的外侧与钢轮 21内壁之间。 所述减速发生器 23为减速机构 2动 力输入端， 其旋转会带动旋转轮 22减速旋转； 所述电机转子 12传动联接所述减 速发生器 23 , 所述电机定子外壳 11通过钢轮连接板 211联接钢轮 21。 旋转轮 22通 过设有的旋转轮连接板 221与拉索驱动机构 3传动联接。 旋转轮 22在钢轮 21内腔 旋转运动， 其中， 旋转轮 22的外表面与钢轮 21的内壁是滑动联接或不接触运动 。 钢轮 21通过螺栓固定在设有的钢轮连接板 211上， 且钢轮连接板 211通过螺栓 与定子外壳 11固定联接。

[0085] 所述拉索驱动机构 3包括承力轴承 31和拉索驱动轮 32， 所述承力轴承 31内圈与 钢轮连接板 211联接， 外圈与拉索驱动轮 32联接， 所述拉索驱动轮 32与旋转轮连 接板 221联接， 所述旋转轮连接板 221与旋转轮 22联接。 旋转轮 22的动力通过旋 转轮连接板 221传递至拉索驱动轮 32， 以使拉索驱动轮 32相对于钢轮 21转动。

[0086] 紧凑型拉索动力驱动装置 1000A工作过程如下： 所述电机转子 12在电力驱动下 相对定子外壳 11转动， 即相对钢轮 21转动， 从而带动减速发生器 23相对钢轮 21 转动， 进而带动旋转轮 22相对钢轮 21减速转动， 再带动旋转轮连接板 221、 拉索 驱动轮 32转动； 拉索 1000C固定在拉索驱动轮 32的拉索驱动轮凹槽 321内， 其在 拉索驱动轮 32的转动下伸展或收缩。

[0087] 所述编码器机构 4包括中心梁 41、 第一磁体 42和第一磁场感应电路 43。 所述中 心梁 41靠近电机 1的一端与所述定子中心通孔 1111配合， 且穿过所述减速发生器 23设有的内孔， 并延伸至旋转轮 22内腔， 由中心梁锁紧螺丝 411与电机定子外壳 11联接， 中心梁 41远离动力件 1的一端带有第一磁场感应电路 43。 所述第一磁体 42联接在所述减速发生器 23远离电机 1的一侧， 与所述第一磁场感应电路 43靠近

[0088] 所述编码器机构 4的工作过程如下：

[0089] 当所述转子 12相对定子外壳 11、 定子线圈 13转动， 带动减速发生器 23相对定子 外壳 11转动， 即带动减速发生器 23、 第一磁体 42相对中心梁 41转动， 进而带动 第一磁体 42相对第一磁场感应电路 43旋转， 所述第一磁场感应电路 43通过感应 第一磁体 42的相对转动角度从而测量电机转子 12相对电机定子线圈 13的旋转角 度。

[0090] 紧凑型拉索动力驱动装置实施例 2

[0091] 如图 2所示， 为实施例 2的结构图， 与实施例 1不同之处在于编码器机构 4。 所述 编码器机构 4的中心梁 41內

端与减速发生器 23固定联接， 并经过定子中心通孔 1111延伸到电机定子外壳 11 边缘， 所述第一磁体 42固定在所述中心梁 41外端上， 所述第一磁场感应电路 43 固定在所述电机定子外壳 11上， 且靠近所述第一磁体 42。 其工作原理与实施例 1 相同。 采用实施例 2方案旋转轮 22凹腔做得更浅， 从而整体上减小本装置的厚度 ， 减小体积。

[0092] 本申请一种拉索驱动动力系统， 图 1至图 7所示， 所述膝关节部分包括大腿杆 10 00D、 膝关节转盘 1000B、 拉索 1000C以及拉索外壳固定件一 1000C1、 拉索外壳 固定件二 1000C2。 拉索外壳固定件一 1000C1、 拉索外壳固定件二 1000C2用于固 定拉索 1000C的外表皮。 所述膝关节转盘 1000B为圆盘形或扇形， 与所述大腿杆 1 000D旋转联接， 所述膝关节转盘 1000B联接小腿杆 1000E， 所述拉索 1000C的外 表皮通过所述拉索外壳固定件二 1000C2固定在所述大腿杆 1000D上， 所述拉索 10 00C线芯一端 （或下端） 固定在所述膝关节转盘 1000B上。

[0093] 拉索驱动动力装置 1000A转动带动拉索 1000C线芯收缩时， 带动所述膝关节转 盘 1000B转动， 从而带动小腿杆 1000E相对大腿杆 1000D转动。

[0094] 于其他实施例中， 为防止拉索 1000C松弛， 所述大腿杆 1000D和膝关节转盘 100 OB之间还可以带有扭簧， 以使得大腿杆 1000D和膝关节转盘 1000B之间具备相对 弯曲收缩的趋势。

[0095] 为防止拉索 1000C张紧时过大力矩伤害穿戴者， 所述大腿杆 1000D和膝关节转 盘 1000B之间带有伸展限位 1000E1， 所述伸展限位 1000E1为小腿杆上的突出部分 ， 当膝关节打直时接触所述大腿杆 1000D的下端， 从而阻止所述膝关节继续伸展

[0096] 图 3所示本申请紧凑型拉索驱动动力系统上半部� �实施示意， 所述拉索 1000C采 用鲍登线， 其外壳通过拉索外壳固定件一 1000C1固定在大腿杆 1000D上， 其线芯 绕过拉索张力传感器 1004A固定在所述动力驱动装置 1000A的拉索驱动轮 32上； 当拉索张紧时， 会给拉索张力传感器 1004A施加一个压力 F， 张力传感器 1004A 通过检测压力 F从而可以计算拉索张力。

[0097] 图 6所示为所述拉索张力传感器 1004A的实施结构， 所述张力传感器 1004A由拉 索惰轮 1004A1、 测力感应梁 1004A2以及应变片 1004A3组成， 所述拉索惰轮 1004 A 1旋转连接测力感应梁 1004A2， 所述应变片 1004A3贴合在所述测力感应梁 1004 A2上， 所述拉索 1000C线芯绕过所述拉索惰轮 1004A1 ; 拉索 1000C张紧时施加给 拉索张力传感器 1004A的力 F会使得测力应变梁 1004A2产生形变， 被所述应变片 1004A3感知， 从而可以检测拉索 1000C上的张力。

[0098] 图 7所示为膝关节角度传感器 1004B剖面示意， 所述膝关节角度传感器 1004B包 括第二磁体 1004B 1、 第二磁场感应电路 1004B2， 所述第二磁体 1004B1固定在所 述大腿杆 1000D上， 所述第二磁场感应电路 1004B2与所述膝关节转盘 1000B固连 ， 大腿杆 1000D和膝关节转盘 1000B之间相对转动可以带动所述第二磁体 1004B1 和第二磁场感应电路 1004B2相对转动， 从而可以感测出大腿杆 1000D、 小腿杆 10 00E之间相对角度变化。

[0099] 图 8所示为髋关节 1000G剖面示意， 所述髋关节 1000G内包括髋关节角度传感器 1004C , 其包括第二磁体 1004C1、 第二磁场感应电路 1004C2， 其结构和膝关节 角度传感器 1004B类似， 可以感测所述腰部连接段 1000F和所述大腿杆 1000D之间 相对的角度变化。

[0100] 所述大腿惯性传感器 1004D和小腿惯性传感器 1004E分别固定在大腿杆 1000D和 小腿护壳 1004E上， 其分别感测穿戴者大腿和小腿的运动。

[0101] 所述小腿杆 1000E可以直接延时至人体脚踝处， 所述小腿上绑带 1003D、 小腿 下绑带 1003F可以直接联接小腿杆 1000E， 取消小腿护壳 1003E， 也可以达到相同 效果。

[0102] 实施例 1 : 一种轻便助力设备， 如图 9-10所示， 包括动力系统 1000、 能源系统 1 001、 控制系统 1002、 人机连接 1003以及运动传感系统 1004。 所述动力系统为上 面所述的拉索驱动动力系统； 所述控制系统控制所述拉索驱动动力系统的拉 索 张紧或放松， 从而控制穿戴者下肢伸展或弯曲。

[0103] 所述动力系统 1000包括本申请紧凑型拉索动力驱动装置 1000A、 膝关节转盘 100 0B、 拉索 1000C、 大腿杆 1000D、 小腿杆 1000E、 腰部连接段 1000F、 髋关节 1000 G； 所述腰部连接段 1000F与所述大腿杆 1000D通过髋关节 1000G旋转连接， 所述 大腿杆 1000D与所述小腿杆 1000E通过动力膝关节 1000B旋转连接， 所述动力驱 动装置 1000A固定在所述大腿杆上， 通过所述拉索 1000C与所述膝关节转盘 1000 B动力连接。

[0104] 所述人机连接包括腰部绑带 1003A、 大腿上绑带 1003B、 大腿下绑带 1003C、 小 腿上绑带 1003D、 小腿护壳 1003E以及小腿下绑带 1003F， 所述腰部绑带 1003A与 腰部连接段 1000F上端固定联接， 所述大腿上绑带 1003B、 大腿下绑带 1003C与大 腿杆 1000D联接， 所述小腿护壳 1003E与所述小腿杆 1000E传动联接， 所述小腿上 绑带 1003D、 小腿下绑带 1003F与小腿护壳 1003E联接； 在穿戴使用时， 所述腰部 绑带 1003A、 大腿上绑带 1003B、 大腿下绑带 1003C、 小腿上绑带 1003D、 小腿护 壳 1003E以及小腿下绑带 1003F分别与人体腰部、 大腿及小腿固定。

[0105] 所述能源系统 1001为电池， 其为所述控制系统 1002、 动力驱动装置 1000A以及 运动传感系统 1004供电； 所述控制系统 1002包括处理器、 存储器及通信接口， 其连接动力驱动装置 1000A以及运动传感系统 1004, 对采集到的传感器数据进行 采集处理， 并控制所述动力驱动装置 1000A内电机转动； 所述运动传感系统 1004 包括拉索张力传感器 1004A、 膝关节角度传感器 1004B、 髋关节角度传感器 1004 C、 大腿惯性传感器 1004D和小腿惯性传感器 1004E。

[0106] 所述轻便助力装置工作原理如下： 所述控制系统 1002不断采集所述运动传感系 统 1004传感器的数据， 并据此判断穿戴者下肢当前所处的状态， 所述状态包括 触地、 支撑、 弯曲摆动以及伸展摆动等， 所述控制系统 1002根据这些状态驱动 所述动力装置 1000A工作在不同的助力状态， 所述助力状态包括跟随摆动、 高阻 尼态、 弹簧助力态、 低阻尼助力态以及低阻尼态， 从而帮助穿戴者缓冲关节冲 击力、 支撑身体重量、 收腿以及摆动， 达到助力效果。

[0107] 实施例 2， 如图 11至图 12所示， 与实施例 1相比， 实施例 2将拉索动力驱动装置 1 000A设置于穿戴者腰部， 在所述髋关节 1000G处设置一个惰轮， 所述拉索 1000C 在髋关节 1000G处绕过所述惰轮联接膝关节转盘 1000B， 从而为穿戴者提供动力 ; 如图所示， 所述拉索 1000C从所述惰轮后侧绕过， 这样当所述拉索 1000C张紧 时， 会对所述髋关节 1000G产生扭矩使得所述大腿杆 1000D相对于所述腰部连接 段 1000F向后摆动， 有利于推动穿戴者前进， 从而使髋关节 1000G成为动力关节 。 实施例 2所述方案将所述拉索动力驱动装置 1000A设置于穿戴者腰部， 减轻了 穿戴者腿部重量， 且更加贴身舒适， 穿戴体验更好， 且更为重要的是， 产生了 驱动穿戴者向前运动的动力。

[0108] 另外， 与实施例 1相比， 实施例 2多了足底薄膜压力传感器 （或足踏开关） 1004 F， 设置于穿戴者足部下方， 且电连接所述控制系统 1002; 当穿戴者足部触地， 穿戴者自身的重量将在薄膜压力传感器 （或足踏开关） 1004F产生压力， 从而所 述薄膜压力传感器 （或足踏开关） 1004F可以感知， 通过设置压力门限值， 所述 控制系统 1002可以判断穿戴者足部是否触地。

[0109] 为提高人体穿戴的舒适度， 本实施例的大腿杆 1000D、 小腿杆 1000E均向内弯 曲或者采用贴合穿戴者腿部的壳体结构以更好 贴合穿戴者腿部， 所述大腿上绑 带 1003B后部、 大腿下绑带 1003C前部及小腿护壳 1003E均采用轻质硬质材料制作 以便于传导力矩， 其均带有弧度以适应人体大小腿形状， 穿戴体验佳。

[0110] 实施例 3， 如图 13所示， 与实施例 2相比， 实施例 3在所述髋关节 1000G处未设置 惰轮， 所述拉索 1000C从穿戴者腰部直接连接所述膝关节转盘 1000B， 由于所述 拉索 1000C采用鲍登线， 可以在传递拉力的时候允许外壳有弯曲和摆动 ， 因此可 以在穿戴腿部行走的同时传递动力。 实施例 3相比实施例 2简化了结构， 其特别 适合传递拉力较小的情况； 当拉索拉力较大的时候， 所述拉索 1000C外壳比较坚 硬， 难以弯曲， 无法满足人体下肢行走的需求。

[0111] 图 9至图 13所示仅为单腿穿戴的情况， 本申请所述轻便助力装置可以单腿使用

， 也可以双腿使用， 双腿使用时另一侧腿的结构类似， 不再赘述。

[0112] 如图 14至图 18为助力设备的控制方法图纸。

[0113] 助力设备的控制方法的总控制方法如图 14所示， 包括以下步骤：

[0114] 步骤一、 所述控制系统根据所述运动传感系统 1004测量值判断穿戴者足部是否 处于触地状态， 如果是则转步骤二， 否则转步骤三；

[0115] 步骤二、 所述控制系统 1002控制所述拉索动力装置 1000A收缩拉索 1000C， 直到所述拉索张力传感器 1004A感测到拉索张力达到设定值； 转步骤一；

[0116] 步骤三、 所述控制系统 1002控制所述拉索动力装置 1000A伸出拉索 1000C， 直到所述拉索张力传感器感 1004A测到拉索张力为零， 转步骤一。

[0117] 具体的， 步骤 S1 : 所述控制系统 1002采集所述运动传感系统 1004传感器的数据 ， 包括膝关节角度传感器 1004B、 小腿惯性传感器 1004E、 编码器装置 4、 足底薄 膜压力传感器 1004F的测量值， 并据此判断穿戴者足部是否触地； 判断穿戴者是 否触地有很多方法， 其中， 惯性传感器 1004E是否感测到触地冲击且膝关节角度 变化率较大， 判断是否离地基于惯性传感器 1004E是否感测到向上加速度且膝关 节角度变化率较大。

[0118] 步骤 S2: 如果触地则转向步骤 S3， 否则转向步骤 S5。

[0119] 步骤 S3: 设定拉索张力目标值， 所述张力目标值对应助力设备要提供给穿戴者 提供的助力目标； 所述助力目标设定有很多算法， 其中一种算法是根据当前姿 态处于步态周期的百分比即步态百分比来设置 ， 例如可以采用如图 17所示与所 述步态百分比的对应关系来设置助力设定值。

[0120] 步骤 S4: 控制拉索张紧使得拉索张力达到设定目标值， 然后转向步骤 S1 ; 所述 控制方法可以采用闭环反馈的方法， 其控制过程如图 15所示， 控制算法可以采 用常用的 PID、 模糊控制、 滑膜变结构控制等算法。

[0121] 步骤 S5: 设定拉索松弛长度目标值， 所述松弛长度目标值越大， 则所述拉索越 松弛， 则允许穿戴者腿部伸缩与拉索伸缩的偏差越大 ， 对于拉索驱动要求越低 ， 但张紧其所需要的时间越长， 触地后给助力延时大， 反之则对拉索驱动要求 高、 张紧所需时间短、 触地后给助力及时性好。 为此， 所述松弛长度目标值可 以是固定值， 例如为膝关节转盘 1000B周长的 1/3 ; 或者是一个随着步态百分比而 变化的值， 例如可以采用如图 18所示的与所述步态百分比的对应关系来设置� �� 弛长度目标值， 这样可以兼顾以上所述拉索驱动要求与助力及 时性的矛盾。

[0122] 步骤 S6: 控制拉索松弛使得拉索松弛长度达到设定目标 值， 然后转向步骤 S1 ; 所述拉索的松弛长度可以通过所述膝关节角度 传感器 1004B以及所述编码器装置 4测量值计算， 其计算方法如图 17所示。 控制所述拉索松弛长度的控制方法采用 闭环控制的方法， 即拉索驱动装置 1000A驱动拉索 1000C跟随所述膝关节角度传 感器 1004B伸出或收缩， 其控制过程如图 17所示， 控制算法可以采用常用的 PID 、 模糊控制、 滑膜变结构控制等算法。

[0123] 所述步骤 S1中， 判断穿戴者足部是否处于触地状态时， 所述控制系统根据运动 传感系统的惯性传感器、 拉索张力传感器、 膝关节角度传感器测量值的一种或 多种组合判断穿戴者足部是否触地； 判断触地的方法包括惯性传感器加速度值 门限法、 惯性传感器倾角门限法、 拉索张紧试探惯性传感器反馈法或其组合。

[0124] 判断所述穿戴者足部是否处于触地状态的实现 方法有很多， 其中一种实现方法 为： 设置触地标志位， 当发生触地事件， 设置触地标志为触地， 当发生离地事 件， 设置触地标志为离地。

[0125] 所述触地事件计算方法为以下多个条件组合：

[0126] 条件一、 离地标志为离地；

[0127] 条件二、 小腿杆上惯性传感器 1004E检测到加速度值超过设定值；

[0128] 条件三、 膝关节角度传感器 1004B测量值变化率大于设定值；

[0129] 所述离地事件为以下多个条件组合：

[0130] 条件一、 当触地标志为触地；

[0131] 条件二， 小腿杆上惯性传感器 1004E检测到加速度值超过设定值；

[0132] 条件三、 膝关节角度传感器 1004B测量值变化率大于设定值。

[0133] 所述步骤 S4中拉索张力控制方法示例如图 15所示， 包括以下步骤：

[0134] 步骤 S41 : 读取拉索张力传感器 1004A测量值， 计算其与设定目标值之差 Ferr;

[0135] 步骤 S42: 判断所述拉索张力传感器 1004A测量值是否小于设定的目标值， 即 F err是否小于 0, 如果不是则转步骤 S44;

[0136] 步骤 S43: 控制拉索驱动装置 1000A增大张力， 可以根据 Ferr对应加大电机 1驱 动电流以增大拉索 1000C张力， Ferr与电流增加值 Ip可以采用 PID、 模糊控制等算 法；

[0137] 步骤 S44: 判断所述张力传感器 1004A测量值是否大于设定的目标值， 即 Ferr是 否大于 0, 如果不是则转步骤 S41 ;

[0138] 步骤 S45: 控制拉索驱动装置 1000A减小张力， 可以根据 Ferr对应减小电机 1驱 动电流以减小拉索张力， Ferr与电流减小值 In可以采用 PID、 模糊控制等算法； 转步骤 S41。

[0139] 所述步骤 S6中拉索长度控制方法示例如图 16所示， 包括以下步骤：

[0140] 步骤 S60: 收紧拉索 1000C， 记录膝关节角度传感器 1004B及编码器 4测量值， 设置此时拉索长度为 L0;

[0141] 步骤 S61 : 读取膝关节角度传感器 1004B和编码器 4测量值， 计算拉索 1000C长 度 L;

[0142] 步骤 S62: 计算拉索 1000C松弛长度 6L=L-L0， 计算拉索松弛长度 6L与设定目标 值之差 Lerr;

[0143] 步骤 S63: 判断所述拉索松弛长度 6L是否小于设定的目标值， 即 Lerr是否小于 0 ， 如果不是则转步骤 S65 ;

[0144] 步骤 S64: 控制拉索驱动装置 1000A放松拉索， 可以根据 Lerr值对应加快电机 1 转速以加快放松拉索， Lerr与转速增加值 Vp可以采用 PID、 模糊控制等算法；

[0145] 步骤 S65: 判断所述拉索松弛长度是否大于设定的目标值 ， 即 Lerr是否大于 0， 如果不是则转步骤 S61 ;

[0146] 步骤 S66: 控制拉索驱动装置 1000A张紧拉索， 可以根据 Lerr对应减慢电机 1转 速或以反方向加快转动， Lerr与转速减小值 Vn可以采用 PID、 模糊控制等算法； 转步骤 S61。

[0147] 本实施例的下肢轻便助力装置结构轻便、 紧凑贴身、 集成度高， 采用本申请的 拉索驱动动力装置作为动力的下肢助力装置， 能够为穿戴者膝关节以及髋关节 提供助力， 增强穿戴者运动能力； 同时， 将重量较大的电机、 减速机上移至腰 部或髋关节附近， 大大减小了腿部的惯量， 腿部更加轻便， 从而可以使得穿戴 者在使用本申请装置时动作更为灵活敏捷； 本申请助力装置可以测量的信息多 ， 包括关节扭矩、 关节角度， 大小腿杆角速度、 加速度， 其控制系统可以实施 更为精确灵活的控制。

[0148] 上述仅以实施例来进一步说明本申请的技术内 容， 以便于读者更容易理解， 但 不代表本申请的实施方式仅限于此， 任何依本申请所做的技术延伸或再创造， 均受本申请的保护。 本申请的保护范围以权利要求书为准。

发明概述

技术问题

问题的解决方案

发明的有益效果