一种基于步态的可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备的制作方法

本发明属于柔性外骨骼机器人技术和柔性行走辅助装备领域，特别涉及一种基于步态的可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备。

背景技术：

穿戴式步行辅助装备有利于改善老年人的运动机能，对预防退行性改变具有重要的康复医学意义。伴随机器人技术的发展和全球人口老龄化进程的快速演化，膝关节机器人外骨骼技术逐渐显现出非常广阔的市场应用前景，并已成为国际机器人领域的一个研究热点。膝关节机器人外骨骼相关技术的研究不仅在帮助老年人重获自理能力、独立参与社会活动、提高生活质量等助老助残问题方面具有重要的社会意义，而且对中国全面建设和谐社会更具有显著的经济和社会效益。

目前大多数关节外骨骼机器人装备的部件较多，自重比较重。而当前的电池能源最多只能维持几个小时，一旦电池没电，对于老年人来讲，根本不能承受那么如此多的附加物。另外，这类机器人的开发集中于功能的实现上，而在穿戴的舒适性与便利性方面的设计还欠佳，不能自如快速的穿脱。再有，这类外骨骼机器人外表看过去像是一个庞大的“钢铁侠”，如美国加州大学伯克利分校下肢末端外骨骼机器人(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)和Raytheon(雷神公司)的外骨骼机械装置Sarcos XOS系列等，而不像是一个穿戴在人身上的辅助器械。辅助器械本质上要在心理与生理上给使用者提供帮助的，若是戴一个庞杂的机械机构势必会造成用户心理上的不认同。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种基于步态的可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备。柔性膝关节机器人外骨骼装备主要以两个微型气泵为气动动力源，根据两组微型姿态传感器对人行走步态参数的实时反馈，控制电路系统对两个微型气泵输出流量的实时控制，按照步态的规律为左腿膝关节执行组件和右腿膝关节执行组件提供正压和负压，在行走过程中为左、右腿提供辅助膝关节弯曲和伸展的转矩，达到为下肢运动能力下降或者下肢运动部分失能人群提供柔性行走辅助的目的，并且可以帮助老年人和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他们的自理能力和健康状况。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：

一种基于步态的可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备，包括：

动力及控制系统，包括本体、上盖、微型气泵A、微型气泵B、控制电路系统、直流电池组件、柔性固定带、以及PVC软管、气泵固定支架以及电池组固定支架；

左腿膝关节气囊执行组件，是装备作用于左腿膝关节的转矩执行部件，为左腿膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩。

右腿膝关节气囊执行组件，是装备作用于右膝关节的转矩执行部件，为右腿膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩。

左脚压力开关组件，控制微型气泵(A)的接通和断开。

右脚压力开关组件，控制微型气泵(B)的接通和断开。

左脚微型姿态传感器，对一个步行动作(行走过程中从左脚脚跟着地到脚趾离地的过程)进行测量，识别步态周期，包括了左脚与地面接触的支撑期和腾空 挪动的摆动期，为控制电路系统提供步态参数。

右脚微型姿态传感器，与左脚微型姿态传感器配合使用，对一个步行动作(行走过程中从右脚脚跟着地到脚趾离地的过程)进行测量，识别步态周期，包括了右脚与地面接触的支撑期和腾空挪动的摆动期，为控制电路系统提供步态参数。

气管组件，是气泵与气囊的气压输送通道，连接微型气泵组件与左腿膝关节气囊执行组件和右腿膝关节气囊执行组件。

其中，控制电路系统是所述气动柔性行走辅助装备的控制中枢，对微型气泵组件、左脚压力开关组件、右脚压力开关组件、左脚微型姿态传感器以及右脚微型姿态传感器等进行综合控制。

微型气泵组件，包括两组微型气泵，在跨步过程中根据实时的步态参数信息为左腿膝关节气囊执行组件和右腿膝关节气囊执行组件提供正压或者负压。

直流电池组件，采用锂电池，主要为所述微型直流气泵组件、所述压力开关组件以及所述控制电路系统供电。

优选地，所述左腿膝关节气囊执行组件和所述右腿膝关节气囊执行组件包括大腿固定板、小腿固定板，柔性固定带、外侧气囊和里侧气囊。所述外侧气囊和里侧气囊采用TPU高强度复合布，经热粘合焊接定型工艺制成横截面为四边形的柱型结构形式，充气后具有固定角度造型，并可形成较强的压力。所述外侧气囊对应膝盖侧，随着所述气泵输入压力增大外侧气囊可由无压力无固定角度状态变成180°的固定角度，并具有较强的压力，即辅助膝关节绷直。里侧气囊对应膝关节窝侧，随着所述气泵输入压力增大里侧气囊可由无压力无固定角度状态变成120°的固定角度，并具有较强的压力。所述固定角度120°是人在 行走迈步过程中膝关节通常弯曲的最大角度，该角度可以根据用户的差异，通过大腿固定板和小腿固定板之间的限位卡扣进行相应地调整。

优选地，所述大腿固定板、小腿固定板采用高强度碳纤维材料制成，也可采用比刚度较高的镁铝合金金、硬铝合金等材料，分别通过铆钉固定在所述外侧气囊和里侧气囊之间的TPU高强度复合布安装面上。

优选地，所述柔性固定带用柔韧性较好的尼龙材料，通过铆钉固定在大腿固定板、小腿固定板上。

优选地，所述膝关节气囊执行组件通过所述柔性固定带在膝关节相应位置进行固定，主要起到支撑和传递扭矩的作用。

优选地，所述微型气泵组件中的气泵为微型直流活塞式气泵，为所述左腿膝关节气囊执行组件和右腿膝关节气囊执行组件提供正压和负压，达到为膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩的功用。

优选地，所述压力开关组件，包括左脚压力开关和右脚压力开关，分别为两套微型直流气泵的控制开关，当左脚压力开关受到来自左脚的力后闭合，所对应微型直流气泵工作，没有压力时左脚压力开关打开，所对应微型直流气泵不工作；同理，当右脚压力开关受到来自右脚的压力后闭合，所对应微型直流气泵工作，没有压力时右脚压力开关打开，所对应微型直流气泵不工作。

优选地，所述气管组件采用PVC软管或者硅胶管。

优选地，所述直流电池组件采用可重复充电的锂电池提供电能。

本发明优异的效果是：

相比现有技术，本发明基于步态的可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备执行部分采用气动柔性作用方式，采用TPU高强度复合布材料经热粘合焊接定型 工艺制成的气囊在充气后具有形状和角度的可塑性，以及压力可调控性、压力分布均匀性、压力持久柔和等特性，并克服了橡胶气囊充气迟滞性等缺点，达到柔性辅助行走的目的。本发明克服了一般腿部助力装备或者外骨骼机器人等刚性机构惯性大，容易造成人膝关节损伤，安全性差、舒适性差等缺点，显著提高了装备的安全性和舒适性。

相比现有技术，可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备执行部分采用可塑性气囊，质量较轻，克服了一般腿部助力装备或者外骨骼机器人等刚性机构执行件体积大和质量大的缺点，有效减少了由于腿部必须附加的执行机构而带来的负荷，并减少行走过程中这部分负荷带来的能量消耗；同时，可穿戴、轻便简单的外形也能一定程度上增加用户心理上的认同感。

因此，本发明以微型直流气泵组件作为膝部气囊执行组件提供气动动力源，根据微型姿态传感器对人行走步态参数的实时反馈，控制电路系统对微型气泵组件输出流量的实时控制，按照步态的规律为左腿膝关节执行组件和右腿膝关节执行组件提供正压和负压，在行走过程中为左、右腿提供辅助膝关节弯曲和伸展的转矩，从而达到柔性辅助行走的目的。本发明特别适合老年人和下肢部分失能患者，在行走过程为膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩，从而达到辅助老年人和下肢部分失能患者行走的目的，并且可以帮助老年人和下肢部分失能患者改善肌肉活力，提高他们的自理能力和健康状况。

附图说明

图1是本发明的可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备的组成图；

图2是图1中的左腿膝关节气囊执行组件组成图。

图3是图1中的右腿膝关节气囊执行组件组成图。

图4是图1中的动力及控制系统组成图；

图5是本发明所述的可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备一个步态周期内右脚着地时的工作原理图；

图6是本发明所述的可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备一个步态周期内右脚抬起时的工作原理图；

其中各附图标记含义如下：

1.用户(后视图)；2.左腿；3.右腿；4.动力及控制系统；5.左腿膝关节气囊执行组件；6.右腿膝关节气囊执行组件；7.左脚压力开关组件；8.右脚压力开关组件；9.左脚微型姿态传感器；10.右脚微型姿态传感器；11.气管组件。

101.大腿固定板；102.小腿固定板；103.外侧气囊；104.里侧气囊；105.柔性固定带。

201.本体；202.上盖；203.微型气泵(A)；204.微型气泵(B)；205.控制电路系统；206.直流电池组件；207.柔性固定带；208.气管；209.气泵固定支架；210.电池组固定支架。

301.微型气泵(A)的充气管；302.微型气泵(A)的抽气管；303.微型气泵(B)的充气管；304.微型气泵(B)的抽气管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

如图1-3所示，一种基于步态的可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备,该装备主要由动力及控制系统4、左腿膝关节气囊执行组件5、右腿膝关节气囊执行组件6、左脚压力开关组件7、右脚压力开关组件8、左脚微型姿态传感器9、右脚微型姿态传感器10以及气管组件11等组成。

如图2和3所示，左腿膝关节气囊执行组件5和右腿膝关节气囊执行组件6主要由大腿固定板101、小腿固定板102、外侧气囊103、里侧气囊104以及柔性固定带105等组成。所述大腿固定板101、小腿固定板102采用高强度碳纤维材料制成，分别通过铆钉固定在所述外侧气囊103和里侧气囊104之间的TPU高强度复合布的安装面上。另外，以上实施例中的大腿固定板、小腿固定板也可选用比刚度较高的镁铝合金、硬铝合金等材料。所述柔性固定带105采用柔韧性较好的尼龙材料，通过铆钉固定在大腿固定板、小腿固定板上。另外，以上实施例中的柔性固定带也可选用涤纶、混纺(40％涤纶60％尼龙)等材料。

所述外侧气囊103和里侧气囊104采用TPU高强度复合布，经热粘合焊接定型工艺制成横截面为四边形的柱型结构形式，充气后有固定角度，并形成较强的压力。具体的，如图2和3所示，所述左腿膝关节气囊执行组件5和右腿膝关节气囊执行组件6通过所述柔性固定带在用户1的大腿、膝关节和小腿相应位置进行固定。外侧气囊103对应膝盖侧，随着所述气泵输入压力增大可由无压力、无固定角度状态变成180°的固定角度，并具有较强的压力，即辅助膝关节绷直。里侧气囊104对应膝关节窝侧，随着气泵输入压力增大可由无压力无固定角度状态变成120°的固定角度，并具有较强的压力。固定角度120°是人 在行走迈步过程中膝关节通常弯曲的最大角度，该角度可以根据用户的差异，通过大腿固定板和小腿固定板之间的限位卡扣进行相应地调整。由于左腿膝关节气囊执行组件5和右腿膝关节气囊执行组件6通过所述柔性固定带105在膝关节相应位置进行固定，主要起到支撑和传递扭矩的作用，所以，外侧气囊103、里侧气囊104的压强由大腿固定板101和小腿固定板102传递到人的大腿和小腿上，最终形成作用于膝关节的弯曲和伸展的转矩，达到辅助行走的目的。

如图4所示，动力及控制系统4主要由本体201、上盖202、微型气泵(A)203、微型气泵(B)204、控制电路系统205、直流电池组件206、柔性固定带207、以及PVC软管208、气泵固定支架209以及电池组固定支架210等组成。如图1-4所示，可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备主要采用微型气泵(A)203、微型气泵(B)204，以气管组件9作为连接和气压输送通道，为左腿膝关节气囊执行组件5、右腿膝关节气囊执行组件6提供正压和负压，提供辅助膝关节弯曲和伸展的转矩。所述气管组件11主要由PVC软管208组成，气管也可采用硅胶管材料。

所述控制电路系统205，是所述可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备的控制中枢，对所述微型气泵(A)203、微型气泵(B)204、左脚压力开关组件7、右脚压力开关组件8、左脚微型姿态传感器9和右脚微型姿态传感器10等进行控制。微型气泵(A)203、微型气泵(B)204为直流活塞式气泵，是所述装备的气动发生部件。所述直流电池组件206，采用可重复充电的锂电池，主要为所述微型气泵(A)203、微型气泵(B)204、左脚压力开关组件7、右脚压力开关组件8、左脚微型姿态传感器9和右脚微型姿态传感器10以及控制电路系统205供电。所述控制电路系统205通过实时采集来自左脚微型姿态传感器9和右脚微型姿态传感器10的数据，对一个步行动作(行走过程中从脚跟着地到脚趾离地 的过程)进行测量，识别步态周期，包括了一个脚与地面接触的支撑期和一个脚腾空挪动的摆动期，进而对微型气泵(A)203和微型气泵(B)204的流量进行控制，从而实现与人行走步态同步的输出控制。

图5和图6为所述可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备的基本工作原理图。在一个步态周期内，以右脚着地，左脚离地开始迈步为例，如图5所示，当左脚离地，由于没有压力作用，左脚压力开关组件7断开，在控制电路系统205控制下，微型气泵(A)203不工作。此时右脚着地，由于有压力作用，右脚压力开关组件7接通，在控制电路系统205控制下，微型气泵(B)204开始运转。根据左脚微型姿态传感器9和右脚微型姿态传感器10对人行走步态参数的实时反馈，控制电路系统205对微型气泵(B)204输出流量进行实时控制，根据步态信息，微型气泵(B)204的充气管303为左腿膝关节气囊执行组件5的外侧气囊103进行充气，提供正压作用力；微型气泵(B)204的抽气管304为左腿膝关节气囊执行组件5的里侧气囊104进行抽气，提供负压作用力。在负压和正压综合作用下，左腿膝关节气囊执行组件5为左腿膝关节提供弯曲转矩，在行走过程中提供与左腿步态一致的辅助弯曲转矩，辅助左腿膝关节弯曲跨步。同时，微型气泵(B)204的充气管303为右腿膝关节气囊执行组件6的里侧气囊104进行快速充气，提供正压作用力；微型气泵(B)204的抽气管304为右腿膝关节气囊执行组件6的外侧气囊103进行抽气，提供负压作用力。在负压和正压综合作用下，右腿膝关节气囊执行组件6为右腿膝关节提供伸展的转矩，在行走过程中提供与右腿步态一致的辅助伸展转矩，辅助右腿膝关节伸展，也即辅助右腿膝关节绷直发力。

如图6所示，随后，左脚着地，由于压力作用，左脚压力开关组件6接通，在控制电路系统205控制下，微型气泵(A)203工作。此时右脚抬起迈步，由 于失去压力作用，右脚压力开关组件7断开，在控制电路系统205控制下，微型气泵(B)204停止运转。根据左脚微型姿态传感器9和右脚微型姿态传感器10对人行走步态参数的实时反馈，控制电路系统205对微型气泵(A)203输出流量进行实时控制，根据步态信息，微型气泵(A)203的充气管301为左腿膝关节气囊执行组件5的里侧气囊104进行充气，提供正压作用力；微型气泵(A)203的抽气管301为左腿膝关节气囊执行组件5的外侧气囊103进行抽气，提供负压作用力。在负压和正压综合作用下，左腿膝关节气囊执行组件5为左腿膝关节提供与左腿步态一致的辅助伸展转矩，在行走过程中辅助左腿膝关节伸展绷直发力。同时，微型气泵(A)203的抽气管302为右腿膝关节气囊执行组件6的里侧气囊104进行抽气，提供负压作用力；微型气泵(A)203的充气管301为右腿膝关节气囊执行组件6的外侧气囊103进行充气，提供正压作用力。在负压和正压综合作用下，右腿膝关节气囊执行组件6为右腿膝关节提供与右腿步态一致的辅助弯曲转矩，在行走过程中辅助右腿膝关节弯曲跨步。以上是可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备实现一个跨步周期的行走辅助功用。如此循环往复，所述可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备可实现在人行走过程中，左、右脚交替踩压各自脚下压力开关分别对所述装备中的两个微型直流气泵进行控制，按照步态为左腿膝关节执行组件和右腿膝关节执行组件提供正压和负压，并最终形成作用于膝关节的弯曲和伸展的转矩，达到在行走过程中，为膝关节提供人的步态同步的伸展和弯曲的转矩，实现气动柔性行走辅助。

由于本发明基于步态的可穿戴柔性膝关节机器人外骨骼装备执行部分采用气压柔性作用方式，左腿膝关节执行组件和右腿膝关节执行组件具有压力可调控性、压力分布均匀性、压力持久柔和以及气囊具有可塑性等特性，克服了一般腿部助力装备或者外骨骼机器人等刚性机构惯性大，容易造成人膝关节损伤， 安全性差、舒适性差等缺点，显著提高了装备的安全性和舒适性。同时，本发明膝关节执行组件气囊，采用TPU高强度复合布材料，经热粘合焊接定型工艺制成横截面为四边形的柱型结构形式，充气后有固定角度，并具有较强的压力，克服了橡胶气囊充气迟滞性等缺点；并且气囊质量较轻，克服了一般腿部助力装备或者外骨骼机器人等刚性机构执行件体积大和质量大的缺点，有效减少了由于腿部必须附加的执行机构而带来的负荷，并减少行走过程中这部分负荷带来的能量消耗。同时，可穿戴、轻便简单的外形也能一定程度上增加用户心理上的认同感。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。