一种基于仿生特性的柔性步行辅助器

本发明涉及辅助机器人，更具体的说是涉及一种基于仿生特性的柔性步行辅助器。

背景技术：

1、目前，随着全球老龄化的加剧，运动障碍人群呈递增趋势，尤其是下肢运动功能障碍严重影响患者的正常生活，辅助人体下肢运动、增强下肢运动能力的可穿戴式外骨骼机器人成为当前机器人领域的重要研究方向之一。柔性下肢助力机器人具有穿戴简单、结构轻便、体积小、与人体贴合度高等优点，成为了近年来新的研究热点。

2、但是，现有的步行辅助器大多存在着功能单一、结构单一、自重较大、个性化程度低以及功能性弱等问题。现有技术中存在着如下问题：1)产品功能性单一，无法满足个性化需求；2)产品价格昂贵，成本高，一般家庭承受不起；3)公众的认可度不高，对于安全性和实用性存在质疑；4)穿戴配重过重，安装复杂，便携性差。

3、因此，如何提供一种安全可靠、便于携带的为运动障碍用户提供下肢运动助力的步行辅助器是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于仿生特性的柔性步行辅助器，依据穿戴者运动的趋势来提供下肢运动助力，解决了运动障碍用户因腿部助力不足导致出行不便的问题，有助于提高运动障碍用户的康复训练效果。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于仿生特性的柔性步行辅助器，包括：腰部框架、柔性腰带、腿部框架、屈伸关节装置和空气压力助力器；

4、所述腰部框架上设置有所述柔性腰带；腿部框架上设置有所述屈伸关节装置；

5、所述空气压力助力器一端与腰部框架连接，另一端与所述屈伸关节装置连接。

6、优选的，所述腰部框架上还设置有：腰部护板、安全气囊、跌倒检测装置、转轴和紧急报警器；所述柔性腰带分别设置在所述腰部框架和所述腰部护板上；所述跌倒检测装置设置在所述腰部护板上；所述空气压力助力器一端通过所述转轴与所述腰部框架连接；

7、所述紧急报警器用于用户手动触发向周围发出声光报警，或当所述跌倒检测装置检测到跌倒时自动发出声光报警。

8、优选的，还包括第一关节转动齿轮组、第二关节转动齿轮组、腿部固定器、小腿保护装置和足部助力器；

9、所述腿部框架通过所述第一关节转动齿轮组与所述腰部框架转动连接；所述小腿保护装置通过所述第二关节转动齿轮组与所述腿部框架连接；所述小腿保护装置与所述足部助力器连接；所述腿部固定器设置在所述腿部框架上；

10、所述腿部固定器和所述小腿保护装置内部均固定设置有腿部助力绷带。

11、优选的，所述跌倒检测装置，用于检测用户是否跌倒，检测到跌倒时向指定用户的处理终端及周围人群发送报警信息，同时向指定用户的处理终端发送定位请求，请求通过则发送用户位置信息。

12、优选的，所述空气压力助力器通过压缩空气的力提供腿部助力，所述空气压力助力器上设置有弹簧锁止结构，能够实现正向锁止和反向锁止；

13、所述正向锁止为：在外骨骼屈伸运动时，通过弹簧锁止结构将关节锁止在特定的位置；

14、所述反向锁止为：通过限制或阻碍关节在特定角度范围内的运动，使关节保持锁止状态。

15、优选的，还包括关节自由度传感器和惯性传感器；

16、所述关节自由度传感器设置在所述转轴上；所述关节自由度传感器包括加速度计和陀螺仪；

17、所述速度计用于测量加速度和方向变化，所述陀螺仪用于测量角速度和旋转变化；

18、所述屈伸关节装置上设置有惯性传感器，所述惯性传感器用于检测用户起身和坐下时的相关加速度、角速度和初速度。

19、优选的，还包括处理终端，所述处理终端用于采集所述步行辅助器的运动数据并进行评估分析，基于评估结果为用户提供服务。

20、所述处理终端具体包括：身体状况监测模块、跌倒指导模块、定位报警模块和健康指导模块；

21、所述身体状况监测模块，用于采集所述关节自由度传感器的数据，基于所述数据监测日常运动训练进程，以及检测到用户摔倒时，发出预警信息；

22、所述跌倒指导模块，用于用户跌倒时向周围人群进行预警，为施救者提供专业的施救指导，进行视频记录；

23、所述定位报警模块，用于对用户位置进行实时定位，及时向指定用户发送预警信息；

24、所述健康指导模块，用于采集用户运动数据并进行整合分析，评估用户运动训练效果，基于评估结果定制推送训练方案，所述户运动数据至少包括：关节自由度传感器数据和惯性传感器数据。

25、优选的，所述健康指导模块还包括：评估建议模块；

26、所述评估建议模块用于根据多种分析对比方法对用户运行训练效果进行评估，基于多个评估结果定制训练方案；

27、所述分析对比方法至少包括：将采集的用户运动数据与国际标准运动数据进行对比；将用户健康侧运动数据与用户患病侧运动数据进行对比；将用户相邻运动时段的运动数据进行对比。

28、优选的，还包括仿真装置，用于收集人体多个关键点的空间坐标数据，并结合所述评估建议模块采集的户运动数据及评估结果进行虚拟仿真动作重现，并将仿真结果以可视化形成上传至指定终端。

29、优选的，所述柔性腰带外侧采用生理护垫，内部采用仿生骨。

30、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于仿生特性的柔性步行辅助器，深度融合机械工程、计算机科学与技术、电子信息技术和康复医学等四大领域的理论与技术，为运动障碍用户提供下肢的运动助力，并且可以依据运动障碍用户运动的趋势来提供下肢运动助力，解决了运动障碍用户因腿部助力不足导致出行不便的问题，有助于提高运动障碍用户的康复训练效果，具有以下有益效果：

31、1、本发明屈伸关节装置中间采用弹簧锁止设计，当腿部伸直时，会将中间部分卡住，方便用户长期站立，运动时解锁，继续通过空气压力的原理来助力运动，使得膝关节具有屈曲和伸直功能，在完全伸直时还具有锁止功能，防止膝关节因过渡拉伸而受伤。

32、2、基于对人体下肢生物关节分析和步态研究，提出实现关节自由度、自适应、便于穿戴、尺寸可调以及轻量化的设计原则，为设计出性能优良、安全性高的外骨骼机器人提供了方向。

33、3、运动障碍用户通过外骨骼辅助器对下肢运动功能进行反复学习，同时将虚拟现实技术融入到下肢的康复训练当中去，可以提供反复的训练刺激，以促进运动学习，并保持所学习的技能，虚拟康复训练游戏具备真正的互动体验，使患者在训练中沉浸在一起，并得到积极的反馈。

34、4、通过配套设置处理终端，为用户提供实时定位、绑定用户紧急联系、视频记录、实时健康状况分析以及基础的救助指导，绑定用户通过处理终端来实时查询用户的状态，并及时对用户的身体异常情况做好相应的应对措施，以此来判断用户现阶段的安全性，让人用的舒心，用着放心。

35、5、通过采集用户运动数据，结合设计的三种分析对比的方法，并结合对brounnstrom评定标准表的全定量化，使其能够适用于机器的参数化评估，使得整个用户运动效果评估过程数据化，结果更加的客观准确。

36、6、步行辅助器选材有铝合金、碳纤维、布织绷带和硅胶等，铝合金重量轻，结构强度高，便于后期cnc加工，碳纤维很轻的重量与坚固的强度，布织绷带有很好的延展性，硅胶触感柔软，以上选材均为市面上很常见，方便易得，选材价格低。

37、7、本发明步行辅助器结构简单、无需组装，能够根据个人体型调节松紧，穿戴更加贴身，便携性好。