[发明专利]一种行走辅助柔性外骨骼及其控制方法

权利要求书

1.一种行走辅助柔性外骨骼，包括：

控制系统，包括气压输出模块、控制模块和固定模块，用于所述柔性外骨骼控制系统安装固定、电子数据接收、处理、指令发送以及气压输出控制；

气动柔性执行系统，是行走辅助的柔性执行部件，包括穿戴模块和执行模块，用于将所述柔性外骨骼穿戴在用户腰部和膝关节上方，并将控制系统提供的压力能转化为能够实现直线运动的机械能，提供辅助左、右腿大腿摆动的助力，辅助行走；

检测系统，包括气压检测模块和运动检测模块，运动检测模块实时检测用户双腿大腿的运动状态，气压检测模块实时采集所述气动柔性执行系统的压力信息，然后实时反馈给所述控制系统；

气管组件，用于在所述控制系统与所述气动柔性执行系统之间的气流输送；

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、电池和数据线；

所述固定模块是所述气压输出模块、控制模块以及所述气压检测模块安装的载体；

所述控制模块能够基于步态估算模型、髋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；

所述控制系统对所述检测系统采集到的用户大腿运动信息和所述气动柔性执行系统的压力信息进行分析，采用步态估算模型和髋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，为所述气动柔性执行系统提供负压或者负压卸载，根据行走模式，按照用户的行走姿态实时为髋关节提供屈曲和伸展的辅助力矩，辅助行走；

所述步态估算模型具有角度判断模式和角速度判断模式；

所述角度判断模式是所述控制模块根据当前运动状态，对大腿相对地面法线所成夹角的角度进行实时求导，获得角度的斜率变化，根据斜率变化判断出左右腿大腿相对地面法线所成夹角角度的波谷位置；所述控制模块根据波谷位置，实时计算左腿大腿相对地面法线所成夹角角度曲线与右腿大腿相对地面法线所成夹角的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所述的柔性外骨骼，其特征在于，所述气动柔性执行系统的穿戴模块包括腰部固定带和膝部固定带，用于将所述柔性外骨骼穿戴在用户腰部和膝关节上方；所述执行模块包括抽气线性收缩型气动人工肌肉组件和尼龙织带，是气压能转化为直线运动机械能的载体；所述抽气线性收缩型气动人工肌肉产生的机械能通过尼龙织带、腰部固定带和膝部固定带传递到腰部和膝部，形成以髋关节为转轴、以股骨为杠杆、以股骨下端为着力点、以抽气线性收缩型气动人工肌肉的收缩为动力的结构形式，通过控制负压流量可以控制抽气线性收缩型气动人工肌肉长度的变化，从而控制大腿前摆的角度与角速度，为髋关节提供助力，辅助行走。

3.根据权利要求1所述的柔性外骨骼，其特征在于，所述控制模块能够根据所述运动检测模块反馈的大腿相对地面法线夹角角度变化信息，基于所述步态估算模型计算得到人体的行走姿态；

所述髋关节力矩模型用于根据行走姿态以及所述气压检测模块反馈的气动柔性执行系统气压值，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，为所述气动柔性执行系统提供定量的负压或者负压卸载；

所述气动柔性执行系统将控制系统提供的气压能实时转化为能够实现直线运动的机械能，按照用户的行走姿态实时为髋关节提供屈曲和伸展所需的辅助力矩，实现辅助行走的目的。

4.根据权利要求1或3所述的柔性外骨骼，所述运动检测模块实时检测大腿相对地面法线所成夹角的角度变化，经过连续采集，所述控制模块可以绘制得到角度曲线，每次出现波峰或者波谷，表示人体行走的步态发生切换，即髋关节由屈曲状态变为伸展状态或是由伸展状态变为屈曲状态，因此，需要在波峰波谷处进行状态切换；在波峰波谷处，曲线斜率发生变化，因此可以对角度曲线实时求导，得到角度的速率曲线，根据速率曲线，实时进行状态判断和切换；为了防止状态误判的发生，需要连续多次判定速率曲线的状态，当多次判定结果一致时，再进行状态切换。