[发明专利]一种穿戴式柔性下肢助力外骨骼控制系统

说明书

本发明公开了一种穿戴式柔性下肢助力外骨骼控制系统，所述柔性下肢助力外骨骼包括柔性服、弹性驱动装置、鲍登线驱动装置、驱动控制装置、柔性绑缚装置、传感系统，所述控制系统包括第一控制器、第二控制器、第三控制器，所述第一控制器被配置为识别检测下肢运动意图、估计步态相位状态，所述第二控制器被配置为将下肢运动意图转换为所述第三控制器的期望轨迹、实现人机力交互协同控制，所述第三控制器被配置为对所述第二控制器的期望轨迹进行精确跟踪。本发明能够协同控制柔性下肢外骨骼，快速跟踪响应控制指令，具有较好的泛化能力和适应性。

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人技术领域，尤其涉及一种穿戴式柔性下肢助力外骨骼控制系统。

背景技术

统计数据显示，我国目前60岁以上的老龄人口超过2亿，并且预计将在2035年增长至4亿。同时，由脑卒中、脊髓损伤或脑外伤等原因造成的残障人口数量迅速增长，我国肢体残疾人口逾2400万，每年新增脑卒中患者约200万。医学期刊在2019年的报道显示，由脑卒中引起的DALY指数排名从1990年的第3位攀升至2017年的第1位，死亡率已逾15.8％，脑卒中疾病已成为影响国内人口寿命与生活质量的头号杀手。由脑卒中引起的残障群体和老年人群普遍存在下肢运动障碍问题，如非对称步态、踝关节跖背屈能力减弱和膝关节稳定性降低等，这些已经严重影响到他们的日常生活。因此，亟需下肢外骨骼机器人来辅助他们步行。

传统的刚性下肢外骨骼机器人通常采用大量刚性连杆或金属刚性结构，虽可为下肢提供支撑和保护且达到一定的康复效果，但仍存在体积大、重量大、柔顺性差和便携性差等问题。患者穿戴时，刚性下肢外骨骼可能会对皮下软体组织挤压而产生剪切力。当刚性下肢外骨骼无法完全随人体下肢运动时，这个剪切力会产生高达1.46Nm的非期望力矩。因此，对于残留部分下肢运动能力的患者和老年人群，刚性下肢外骨骼的辅助不仅收效甚微，还可能因人机耦合系统的动态特性反而阻碍人体步行。

柔性下肢外骨骼机器人作为新兴的外骨骼机器人技术，集成了柔性驱动和可穿戴机构，有效解决了传统的刚性下肢外骨骼系统笨重、顺应性差、便携性差以及穿戴舒适性差等诸多问题，已成为主动康复领域发展的重要方向之一。柔性下肢外骨骼不仅对于仍残留部分步行功能的偏瘫患者、行动不便的老年人群有良好的步行辅助效果，同时也具有极高的理论研究价值。

因此，本领域的技术人员致力于提供一种穿戴式柔性下肢助力外骨骼控制系统，为穿戴者提供髋关节屈曲和伸展力/矩以辅助步行，增强穿戴者日常行走的稳定性、安全性及舒适性。

发明内容

有鉴于现有技术上的缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种穿戴式柔性下肢助力外骨骼控制系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种穿戴式柔性下肢助力外骨骼控制系统，所述柔性下肢助力外骨骼包括柔性服、弹性驱动装置、鲍登线驱动装置、驱动控制装置、柔性绑缚装置、传感系统，其特征在于，所述控制系统包括第一控制器、第二控制器、第三控制器，所述第一控制器被配置为识别检测下肢运动意图、估计步态相位状态，所述第二控制器被配置为将下肢运动意图转换为所述第三控制器的期望轨迹、实现人机力交互协同控制，所述第三控制器被配置为对所述第二控制器的期望轨迹进行精确跟踪。

本发明中，各控制器各司其职、互不干涉并协同控制柔性下肢助力外骨骼快速跟踪响应控制指令。

进一步地，所述传感系统包括分别设置于大腿两侧和背部的角度传感器、设置于所述弹性驱动装置的第一拉力传感器、与所述鲍登线驱动装置和所述柔性绑缚装置连接的第二拉力传感器、足底压力鞋垫。

上述方案中，各传感器为控制系统提供稳定、有效的物理信号，并用于人体的运动意图识别与运动状态估计。