本发明属于柔性髋关节助力外骨骼、下肢外骨骼技术领域，特别涉及一种柔性髋关节助力外骨骼。
背景技术
进入二十一世纪以来,我国人口老龄化现象日益严重，如何提高老年人生活质量受到了社会的普遍关注。外骨骼技术是一种新型的人体运动辅助机器人技术，将外骨骼技术应用于老年人助行领域，将会增强老年人下肢运动能力，并且在成本、实用性有优势，是老年人助行装置研究的新方向。
目前国内外下肢外骨骼以刚性框架铠甲结构形式为主，可以给穿戴外骨骼的人提供支撑、和增强运动能力。目前国内外下肢外骨骼主要存在部件较多，自重较重，舒适性与便利性欠佳，不能快速穿脱。再有就是刚性框架结构存在机械惯性危险，而且刚性铠甲形式使用户缺乏心理认同。最重要的是，目前刚性铠甲式下肢外骨骼是承载式的解决方案，主要用于增强士兵持重及负重能力，为瘫痪或者下肢疾病不能行走的病患提供支撑，以装备带动病患下肢行走，并不适合需要部分行走辅助的弱行走能力的老年人群体。弱行走能力的老年人群体虽然由于生理机能的衰退，存在着关节运动幅度减小以及韧带弹性和绝对肌力下降等现象，但是仍然具有一定的行走能力，具有部分行走辅助功能的下肢外骨骼能够增强老年人下肢运动能力，保持肌肉活性，延缓肌肉退化进程，提高生活质量。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种柔性髋关节助力外骨骼，包括负压控制系统、髋关节柔性助力组件以及惯性测量单元组件等。髋关节柔性助力组件以负压收缩弹性体驱动器为髋关节柔性执行器，负压收缩弹性体驱动器能够接受负压控制系统的负压输入和卸载，当有负压输入时发生线性位移变短且具有拉力，在负压卸载时，自身由收缩状态恢复到自身自然状态的过程中，具有反向线性位移和回复力。负压控制系统对惯性测量单元组件采集和反馈的用户步态数据实时处理，对髋关节柔性助力组件中的负压收缩弹性体驱动器负压输入和卸载过程进行实时控制，在行走过程中按照步态规律为用户的髋关节提供辅助转矩，达到助行的目的。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种柔性髋关节助力外骨骼，包括：
髋关节柔性助力组件，提供辅助左、右腿大腿摆动的助力，辅助髋关节运动；
负压控制系统，是所述柔性髋关节助力外骨骼控制中枢，负责所述柔性髋关节助力外骨骼的数据处理、驱动控制以及负压输出控制，按照步态规律适时地为所述髋关节柔性助力组件提供负压输入和负压卸载，为用户提供与步态一致的辅助髋关节运动的助力。
惯性测量单元组件，对大腿相对地面的摆动角度和角速度变化等参数进行实时获取，并通过无线发送方式反馈给所述负压控制系统。
优选地，所述运动参数包括大腿相对地面的摆动角度和角速度变化；
优选地，所述惯性测量单元组件有两组，分别通过魔术贴固定在位于左腿和右腿大腿的腿部固定带上。
优选地，所述负压控制系统包括：控制箱箱体、控制模块、气泵驱动模块、信息接收模块、锂电池组、开关、微型真空负压泵、安装板、三通转接头、三通电磁阀a、三通电磁阀b、两通电磁阀a、两通电磁阀b、气管a、气管b以及保护盖等。
所述负压控制系统可以通过腰部固定带携带在用户的腰部。
优选地，所述控制模块能够对惯性测量单元组件所反馈的运动参数进行实时处理，并通过所述气泵驱动模块实时控制微型真空负压泵的输出流量以及气路切换，对所述髋关节柔性助力组件进行负压控制，为髋关节提供助力。
优选地，所述微型真空负压泵是所述柔性髋关节助力外骨骼的负压动力源，为所述髋关节柔性助力组件提供可变负压输入。
所述锂电池组为负压控制系统供电。
所述控制箱箱体是所述微型真空负压泵、控制模块、气泵驱动模块、开关、信息接收模块、锂电池组、安装板以及保护盖等零部件的安装载体。
所述安装板是所述三通转接头、三通电磁阀a、三通电磁阀b、两通电磁阀a、两通电磁阀b、气管a以及气管b的安装载体，实现上述器件在控制箱箱体上的过渡安装。
优选地，所述髋关节柔性助力组件包括负压收缩弹性体驱动器、腰部固定带、腿部固定带等。
优选地，所述负压收缩弹性体驱动器为髋关节柔性助力组件的助力执行单元，具有与外界联通的通气孔，用于连接气管，实现对整个负压收缩弹性体驱动器的负压输入或者卸载。当有负压输入时负压收缩弹性体驱动器发生线性位移变短且具有拉力，负压卸载时，自身由收缩状态恢复到自身自然状态，过程可控。
优选地，所述负压收缩弹性体驱动器通过连接件一端固定在所述腰部固定带上，另一端固定在腿部固定带上，髋骨、大腿骨和负压收缩弹性体驱动器三者形成三角形结构形式，其中髋骨、大腿骨两边长度基本固定，另一边负压收缩弹性体驱动器长度可变。通过控制负压收缩弹性体驱动器的长度变化可以控制髋骨与大腿骨之间的角度变化，也即髋关节前摆和后摆的角度。当所述负压收缩弹性体驱动器有负压输入时发生线性位移变短且具有拉力，可以通过驱动腿部固定带为大腿提供上摆的拉力，辅助髋关节运动；当负压收缩弹性体驱动器负压卸载时，自身由收缩状态恢复到自身自然状态的过程中，负压收缩弹性体驱动器逐步释放拉力对大腿后摆过程进行控制。通过控制负压流量可以控制负压收缩弹性体驱动器长度的变化，从而控制髋骨与大腿骨之间夹角的变化，为髋关节提供助力。
优选地，所述负压收缩弹性体驱动器由长方体气室单元组成，相邻长方体气室单元之间有通孔，形成负压收缩弹性体驱动器内部的气流通道，所述长方体气室单元相邻横向和纵向气室壁厚度有差异，其中横向气室壁的厚度不小于纵向气室壁的4倍。当气室为负压时，由于横向气室壁与纵向气室壁的厚度差异，所述纵向气室壁受负压作用力变形，横向气室壁不变形，横向气室壁楔入到长方体气室单元内，直到与相邻横向气室壁对接不再发生横向位移，所以在负压作用下，负压收缩弹性体驱动器可形成横向位移，并具有拉力；当外界负压卸载时，所述纵向气室壁受负压作用力消失，逐渐恢复到不受力的初始状态，在此过程中形成与负压作用下相反方向的横向位移，过程可控，在负压卸载过程中负压收缩弹性体驱动器可形成与负压作用相反方向的线性位移。
优选地，所述负压收缩弹性体驱动器采用硅胶材料或者橡胶材料。
优选地，所述气管a和气管b采用pvc管。
优选地，所述三通电磁阀a和三通电磁阀b能够实现微型真空负压泵输入到所述髋关节柔性助力组件位于左腿位置的压收缩弹性体驱动器以及右腿位置的压收缩弹性体驱动器不同气路之间的切换；所述两通电磁阀a和两通电磁阀b能够实现所述髋关节柔性助力组件位于左腿位置的压收缩弹性体驱动器以及右腿位置的压收缩弹性体驱动器内负压的卸载过程控制。
本发明优异的效果是：
相比现有技术，传统刚性外骨骼机器人一般采用液压驱动、电机驱动，这两种驱动方式都存在如噪声、功率密度低、结构复杂、缺乏本质柔顺性，难以实现柔顺控制等缺点，本发明采用负压伸缩弹性体驱动器作为柔性驱动元件，具有较高的功率密度比、功率体积比等特点，易于实现外骨骼的柔顺控制，并且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，容易造成人下肢关节机械惯性损伤，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，此外本发明所述的柔性髋关节助力外骨骼克服常规刚性外骨骼机器人自重大，不能快速穿脱等缺点，具有结构简单，部件少，尤其是执行部件采用负压伸缩弹性体驱动器作为执行器，自重小，显著减轻腿部负担，并且穿戴方便。
附图说明
图1是本发明柔性髋关节助力外骨骼的外形及组成图；
图2是图1中负压控制系统的组成图；
图3是图1中髋关节柔性助力组件组成图；
图4是图3中负压收缩弹性体驱动器结构图。
其中各附图标记含义如下：
1.负压控制系统；2.髋关节柔性助力组件；3.惯性测量单元组件。
101.控制箱箱体；102.微型真空负压泵；103.控制模块；104.气泵驱动模块；105.开关；106.信息接收模块；107.锂电池组；108.安装板；109.三通转接头；110.三通电磁阀a；111.三通电磁阀b；112.两通电磁阀a；113.两通电磁阀b；114.气管a；115.气管b；116.保护盖。
201.负压收缩弹性体驱动器；202.腰部固定带；203.腿部固定带。
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所示，一种柔性髋关节助力外骨骼，主要由负压控制系统1、髋关节柔性助力组件2以及惯性测量单元组件3组成。
所述负压控制系统1是所述柔性髋关节助力外骨骼控制中枢，负责所述柔性髋关节助力外骨骼的数据处理、驱动控制以及负压输出控制，按照步态规律适时地为所述髋关节柔性助力组件提供负压输入和负压卸载，为用户提供与步态一致的辅助髋关节运动的助力。
所述髋关节柔性助力组件2是左右腿髋关节柔性助力执行部分，为用户提供髋关节助力。
所述惯性测量单元组件3对左腿和右腿的大腿相对地面的摆动角度和角速度变化等参数进行实时获取，并通过无线发送方式反馈给所述负压控制系统。
图2是图1中负压控制系统1的组成图。如图2所示，负压控制系统1主要包括控制箱箱体101、微型真空负压泵102、控制模块103、气泵驱动模块104、开关105、信息接收模块106、锂电池组107、安装板108、三通转接头109、三通电磁阀a110、三通电磁阀b111、两通电磁阀a112、两通电磁阀b113、气管a114、气管b115以及保护盖116等。
所述控制模块103能够对惯性测量单元组件3所反馈的步态数据进行实时处理，并通过所述气泵驱动模块104实时控制微型真空负压泵102的输出流量以及气路切换，对所述髋关节柔性助力组件2进行负压控制，为髋关节提供助力。
所述微型真空负压泵102是所述柔性髋关节助力外骨骼的负压动力源，为所述髋关节柔性助力组件2提供可变负压输入。
所述三通电磁阀a110、三通电磁阀b111、两通电磁阀a112和两通电磁阀b113用于对髋关节柔性助力组件2负压的加载和卸载的过程控制。其中，所述三通电磁阀a110和三通电磁阀b111可实现微型真空负压泵输入到所述髋关节柔性助力组件位于左腿位置的压收缩弹性体驱动器以及右腿位置的压收缩弹性体驱动器不同气路之间的切换；所述两通电磁阀a112和两通电磁阀b113可实现所述髋关节柔性助力组件位于左腿位置的压收缩弹性体驱动器以及右腿位置的压收缩弹性体驱动器内负压的卸载过程控制。
所述控制箱箱体101是所述微型真空负压泵102、控制模块103、气泵驱动模块104、开关105、信息接收模块106、锂电池组107、安装板108以及保护盖116等零部件的安装载体。
所述安装板108是所述三通转接头109、三通电磁阀a110、三通电磁阀b111、两通电磁阀a112、两通电磁阀b113、气管a114、气管b115的安装载体，实现上述器件在控制箱箱体101上的过渡安装。
所述锂电池组107为负压控制系统1供电。
如图1-2所示，所述惯性测量单元组件3能够对用户双腿的大腿相对地面的摆动角度和角速度变化等步态数据进行实时获取，并通过无线方式回传给信息接收模块106，信息接收模块106将信息反馈给所述负压控制系统1中的控制模块103，控制模块103能够上述步态数据进行处理，然后通过气泵驱动模块104实时控制所述微型真空负压泵102输出，同时控制所述三通电磁阀a110、三通电磁阀b111、两通电磁阀a112以及两通电磁阀b113开关，实现对经由气管a114和气管b115分别进入到所述髋关节柔性助力组件2中两个负压收缩弹性体驱动器201不同气路的通断以及流量控制。
图3是图1中髋关节柔性助力组件组成图，髋关节柔性助力组件2包括位于左腿大腿侧和右腿大腿侧的两个负压收缩弹性体驱动器201、腰部固定带202和两个腿部固定带203等。所述负压收缩弹性体驱动器201是所述髋关节柔性助力组件2的驱动单元。所述负压收缩弹性体驱动器201有与外界联通的通气孔，用于连接气管，实现对整个负压收缩弹性体驱动器201的负压输入或者卸载。当有负压输入时负压收缩弹性体驱动器201发生线性位移变短且具有拉力；当负压收缩弹性体驱动器负压卸载时，自身由收缩状态恢复到自身自然状态，过程可控。所述负压控制系统1安装在所述腰部固定带202上，在用户腰部系紧。所述髋关节柔性助力组件2包括两个负压收缩弹性体驱动器201、腰部固定带202和两个腿部固定带203。两个腿部固定带203分别在左腿大腿和右腿大腿的膝关节上方系紧。其中一个负压收缩弹性体驱动器201一端固定在所述腰部固定带202的左侧连接件上，另一端固定在左腿的腿部固定带203上，为左腿髋关节提供助力；另一个负压收缩弹性体驱动器201一端固定在所述腰部固定带202的右侧连接件上，另一端固定在右腿的腿部固定带203上，为右腿髋关节提供助力。这种穿戴方式使髋骨、大腿骨和负压收缩弹性体驱动器201三者形成三角形结构形式，其中髋骨、大腿骨这两边长度基本固定，另一边负压收缩弹性体驱动器201长度可变。通过控制负压的输入或卸载可以控制负压收缩弹性体驱动器201长度的变化，从而控制髋骨与大腿骨之间夹角的变化，为髋关节提供助力。当所述负压收缩弹性体驱动器201受到负压驱动作用力时变短，通过大腿固定带203提拉大腿，为大腿提供前摆的助力，也即辅助髋关节运动；当作用在所述负压收缩弹性体驱动器201上的负压卸载时，负压收缩弹性体驱动器201逐步释放拉力实现对大腿下摆过程的控制。
图4是图3中负压收缩弹性体驱动器201结构图，所述负压收缩弹性体驱动器201由长方体气室单元组成，相邻长方体气室单元之间有通孔，形成负压收缩弹性体驱动器201内部的气流通道。所述长方体结构气室单元相邻横向和纵向气室壁厚度有差异，其中横向气室壁(x方向)的厚度不小于纵向气室壁(y方向)的4倍；当气室为负压增加时，由于横向气室壁与纵向气室壁的厚度差异，所述纵向气室壁受负压作用力变形，横向气室壁不变形，横向气室壁楔入到长方体气室单元内，直到与相邻横向气室壁对接不再发生横向位移。所以在负压作用下，负压收缩弹性体驱动器可形成横向位移，并具有拉力。所以在负压作用下，负压收缩弹性体驱动器201可形成横向(x方向)位移，并具有拉力。当外界负压卸载时，所述纵向气室壁受负压作用力消失，逐渐恢复到不受力的初始状态，在此过程中形成与负压作用下相反方向的横向位移，过程可控，在负压卸载过程中负压收缩弹性体驱动器201可形成与负压作用相反方向的线性位移。
所述惯性测量单元组件3共有两组，分别通过魔术贴固定在位于左腿和右腿大腿的腿部固定带203上。
结合图1-4，对所述柔性髋关节助力外骨骼在一个步态周期内的工作原理进行阐述。用户在行走过程中，在抬腿过程中最需要助力，而且在从抬腿到下摆这个阶段的对下摆的控制也十分重要，需要克服大腿下摆的惯性，关系到行走的稳定性。
以左腿开始迈步为例，当用户左腿开始迈步时，经历以下两个步态阶段：左腿大腿逐渐上摆抬起伴随着小腿下摆，随后大腿逐渐下摆并伴随着小腿上摆迈步，直到左脚落地，然后右腿抬起，步态过程与左腿相同。
首先是左腿大腿逐渐上摆抬起阶段。在此阶段，所述负压控制系统1根据惯性测量单元组件3检测并回传的左腿大腿相对地面的摆动角度和角速度变化等步态数据，控制模块103对上述步态数据进行实时处理，然后通过所述气泵驱动模块104实时控制所述微型真空负压泵102启动，同时控制所述三通电磁阀a110开启，关闭三通电磁阀b111、两通电磁阀a112和两通电磁阀b113。所述微型真空负压泵102负压作用力经三通转接头a109、三通电磁阀a110、气管a115进入到髋关节柔性助力组件2中左腿位置的负压收缩弹性体驱动器201中，所述负压收缩弹性体驱动器201在负压作用下收缩变短且具有拉力。由于所述负压收缩弹性体驱动器201通过连接件一端安装在所述腰部固定带202，另一端安装在所述左腿的大腿固定带203上，左腿的髋骨、大腿骨和负压收缩弹性体驱动器201三者形成三角形结构形式，其中髋骨、大腿骨这两条边长度基本固定，第三边负压收缩弹性体驱动器201长度可变。所述负压收缩弹性体驱动器201通过大腿固定带203为左腿大腿提供上抬的拉力，实时为左腿髋关节提供助力。
随后是左腿大腿逐渐下落并伴随着小腿伸展迈步，直到左脚落地。在此过程中，大腿只需要依靠自身重力即可完成大腿下摆，但是需要控制大腿下摆过程。所述控制模块103对惯性测量单元组件3检测并回传的左腿大腿和小腿相对地面的摆动角度和角速度变化等步态数据实时处理，然后通过所述气泵驱动模块104关闭真空负压泵102，同时控制所述两通电磁阀a112开启，关闭三通电磁阀a110、三通电磁阀b111以及两通电磁阀b113。外界大气压经两通电磁阀a112、三通电磁阀a110、气管a115进入到所述髋关节柔性助力组件2左腿侧的负压收缩弹性体驱动器201中，负压收缩弹性体驱动器201负压卸载，负压收缩弹性体驱动器由收缩状态恢复到自然状态，通过控制两通电磁阀a112开关持续时间即可实现对负压收缩弹性体驱动器201负压卸载时间和过程的控制，从而实现对大腿下摆过程进行控制。
用户左脚落地后，右腿开始迈步，右腿大腿逐渐上摆抬起伴随着右腿小腿下摆，随后右腿大腿逐渐下摆迈步，直到右脚落地。
首先是右腿大腿逐渐上摆抬起过程，在此阶段，所述负压控制系统1根据惯性测量单元组件203检测并回传的右腿大腿相对地面的摆动角度和角速度变化等步态数据，控制模块103对上述步态数据进行实时处理，然后通过所述气泵驱动模块104实时控制所述微型真空负压泵102启动，同时控制所述三通电磁阀b111开启，关闭三通电磁阀a110、两通电磁阀a112和两通电磁阀b113。所述微型真空负压泵102负压作用力经三通转接头109、三通电磁阀b111、气管b114进入到所述髋关节柔性助力组件2中位于右腿一侧的负压收缩弹性体驱动器201中，所述负压收缩弹性体驱动器201在负压作用下收缩变短，通过右腿的大腿固定带203，为右腿大腿提供上摆的拉力，也即为右腿髋关节提供助力。
随后是右腿大腿逐渐下落迈步，直到右脚落地。所述控制模块103对惯性测量单元组件3检测并回传的右腿大腿相对地面的摆动角度和角速度变化等步态数据实时处理，然后通过所述气泵驱动模块104关闭真空负压泵102，同时控制所述两通电磁阀b113开启，关闭三通电磁阀a110、三通电磁阀b111以及两通电磁阀b112。外界大气压经两通电磁阀b113、三通电磁阀b111以及气管b114进入到所述髋关节柔性助力组件2中位于右腿一侧的负压收缩弹性体驱动器201中，负压收缩弹性体驱动器201负压卸载，负压收缩弹性体驱动器由收缩状态恢复到自然状态，通过控制两通电磁阀b113开关持续时间即可实现对负压收缩弹性体驱动器201负压卸载时间和过程的控制，从而实现对右腿大腿下摆过程进行控制。
以上是所述柔性髋关节助力外骨骼实现一个步态周期的对左右腿髋关节的柔性助力过程。如此循环往复，在行走过程中，柔性髋关节助力外骨骼的负压控制系统1对惯性测量单元组件3采集和反馈的用户步态数据实时处理，适时地对髋关节柔性助力组件2中的两个负压收缩弹性体驱动器201进行流量控制，在行走过程中按照步态规律为用户的髋关节提供辅助转矩，达到助行的目的。
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。