一种气动肌肉上肢助力外骨骼系统的制作方法

本发明涉及一种机械外骨骼产品技术领域，特别是一种气动肌肉上肢助力外骨骼系统。

背景技术：

机械外骨骼是面向人的机器人，它们可以被定义为由使用者佩戴的那些补充或是代替肢体的设备。外骨骼可以在使用者的肢体一侧被操纵，与使用者的四肢进行协调运动，或是代替残疾使用者的一部分肢体，与剩余部分肢体进行协作；但这并不一定意味着外骨骼一定是可移动的或便携式的，其中很大一部分原因就是执行元件和动力源体积重量的限制；机械外骨骼可以被看作一种增强、适应、保护穿戴者身体的技术。外骨骼可以在使用者操控的基础上扩展使用者的能力，帮助使用者达到超过其自身的力量；亦可以帮助残疾使用者重新控制或代替其部分肢体，通过使用者与外骨骼之间的物理交互以及感知交互，让使用者与外骨骼在感知、决策、交互多个层面上进行协作。

现有技术中的外骨骼系统大多采用电机、液压、气压方式进行驱动，绝大部分助力外骨骼使用液压系统驱动。电机驱动系统的优点在于效率高、可实现精确控制、安装方便，但其效率与质量比低，难以在外骨骼中实现大范围使用。液压系统的优点在于功率与质量比大，可在小体积内产生大推力；但液压系统使用液压油为工作介质，极易产生泄漏问题；且液压驱动系统效率低，能量消耗极大，能量源要求高，对加工要求高，成本高。气压系统有工作介质清洁、效率高、重量轻、成本低等优点，但由于气缸元件的功率与质量比低，导致其难以在大功率系统上应用。

新型气动元件——气动肌肉具有优良的功率与体积比、以及功率与质量比，使气压驱动在外骨骼系统中逐步替代液压驱动成为了可能。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种气动肌肉上肢助力外骨骼系统，采用气动肌肉为执行元件，使用者与外骨骼系统在感知、决策、交互层面上具有良好协作性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种气动肌肉上肢助力外骨骼系统，包括安装在人体背部且与人体背部协同运动的背臂骨、安装在人体上臂且与人体上臂协同运动的上臂骨、安装在人体前臂且与人体前臂协同运动的前臂骨，还包括用于连接所述背臂骨和所述上臂骨的肩部骨；所述肩部骨包括肩部侧向骨架和肩部前向骨架，所述肩部侧向骨架和所述肩部前向骨架组合成L形结构；所述肩部侧向骨架的下方设置有第一关节模块，所述肩部前向骨架的下方设置有第二关节模块；所述背臂骨的上端通过所述第一关节模块连接所述肩部侧向骨架，且所述背臂骨和所述肩部侧向骨架之间通过用于驱动所述第一关节模块活动的气动肌肉连接；所述上臂骨的上端通过所述第二关节模块连接所述肩部前向骨架，且所述上臂骨和所述肩部前向骨架之间通过用于驱动所述第二关节模块活动的气动肌肉连接；所述上臂骨的下端设置有第三关节模块，所述前臂骨的上端通过所述第三关节模块连接所述上臂骨的下端，且所述前臂骨和所述上臂骨之间通过用于驱动所述第三关节模块活动的气动肌肉连接；所述上臂骨和所述前臂骨上各设置有一个用于感应人体上肢运动趋势的压力环。

上述用于描述各组件的位置和区域的词语，例如下方、上端和下端等，均是指当所述气动肌肉上肢助力外骨骼系统安装在人体上、且人体上肢处于自然下垂状态时，各组件的位置和区域的空间位置关系，下同。

作为上述技术方案的进一步改进，所述压力环包括第一应力感应环和第二应力感应环，所述第一应力感应环和所述第二应力感应环的轴线共线。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一应力感应环由面对称设置的第一弧形夹臂和第二弧形夹臂构成，所述第二应力感应环由面对称设置的第三弧形夹臂和第四弧形夹臂构成；所述压力环还包括环安装块、第一应力夹持块和第二应力夹持块，所述第一应力夹持块通过第一夹持气缸连接所述环安装块，所述第二应力夹持块通过第二夹持气缸连接所述环安装块，所述第一弧形夹臂和所述第三弧形夹臂均固定安装在所述第一应力夹持块上，所述第二弧形夹臂和所述第四弧形夹臂均固定安装在所述第二应力夹持块上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述背臂骨包括背臂支撑骨架、安装在所述背臂支撑骨架上的背臂固定环座、以及安装在所述背臂固定环座上的背臂肌肉固定环；所述第一关节模块包括第一关节转轴、第一转轴安装块和第一转轴连接块，所述第一转轴安装块和所述第一转轴连接块通过所述第一关节转轴铰连接，所述第一转轴安装块固定连接所述肩部侧向骨架，所述第一转轴连接块固定连接所述背臂支撑骨架；用于驱动所述第一关节模块活动的气动肌肉连接所述背臂肌肉固定环和所述第一转轴安装块。

作为上述技术方案的进一步改进，所述上臂骨包括上臂支撑骨架、安装在所述上臂支撑骨架上的上臂固定环座、以及安装在所述上臂固定环座上的上臂肌肉固定环；所述第二关节模块包括第二关节转轴、第二转轴安装块和第二转轴连接块，所述第二转轴安装块和所述第二转轴连接块通过所述第二关节转轴铰连接，所述第二转轴安装块固定连接所述肩部前向骨架，所述第二转轴连接块固定连接所述上臂支撑骨架；用于驱动所述第二关节模块活动的气动肌肉连接所述上臂肌肉固定环和所述第二转轴安装块。

作为上述技术方案的进一步改进，所述前臂骨包括前臂支撑骨架、安装在所述前臂支撑骨架上的前臂固定环座、以及安装在所述前臂固定环座上的前臂肌肉固定环；所述第三关节模块包括第三关节转轴、第三转轴安装块和第三转轴连接块，所述第三转轴安装块和所述第三转轴连接块通过所述第三关节转轴铰连接，所述第三转轴安装块固定连接所述上臂支撑骨架，所述第三转轴连接块固定连接所述前臂支撑骨架；用于驱动所述第三关节模块活动的气动肌肉连接所述前臂肌肉固定环和所述第三转轴安装块。

作为上述技术方案的进一步改进，所述前臂支撑骨架的下端还设置有前臂握环。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

本发明所提供的一种气动肌肉上肢助力外骨骼系统，采用气动肌肉为执行元件，此外在上臂骨和前臂骨上各安装一个压力环用以监测使用者的运动趋势，压力环监测到的各个方向上力进行合成即可判断出外骨骼系统所需的运动方向和趋势，使使用者与外骨骼系统在感知、决策、交互层面上具有良好协作性。

此外，本发明所提供的外骨骼系统肩部侧向骨架、肩部前向骨架、背臂支撑骨架、上臂支撑骨架和前臂支撑骨架可以采用模块化结构设计，从而降低外骨骼系统的加工成本；并且设置于上述模块化骨架上的例如应力环、肌肉固定环和握环等各组件位置可调，从而可以调整各骨架的工作长度，以便于更好地适应不同使用者的上肢结构。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明所述的一种气动肌肉上肢助力外骨骼系统的主视结构示意图；

图2是本发明所述的一种气动肌肉上肢助力外骨骼系统的侧视结构示意图；

图3是本发明所述的一种气动肌肉上肢助力外骨骼系统的俯视结构示意图。

具体实施方式

参照图1至图3，图1至图3是本发明一个具体实施例的结构示意图。

如图1至图3所示，一种气动肌肉上肢助力外骨骼系统，包括安装在人体背部且与人体背部协同运动的背臂骨、安装在人体上臂且与人体上臂协同运动的上臂骨、安装在人体前臂且与人体前臂协同运动的前臂骨，还包括用于连接所述背臂骨和所述上臂骨的肩部骨；所述肩部骨包括肩部侧向骨架11和肩部前向骨架12，所述肩部侧向骨架11和所述肩部前向骨架12组合成L形结构；所述肩部侧向骨架11的下方设置有第一关节模块，所述肩部前向骨架12的下方设置有第二关节模块；所述背臂骨的上端通过所述第一关节模块连接所述肩部侧向骨架11，且所述背臂骨和所述肩部侧向骨架11之间通过用于驱动所述第一关节模块活动的气动肌肉连接；所述上臂骨的上端通过所述第二关节模块连接所述肩部前向骨架12，且所述上臂骨和所述肩部前向骨架12之间通过用于驱动所述第二关节模块活动的气动肌肉连接；所述上臂骨的下端设置有第三关节模块，所述前臂骨的上端通过所述第三关节模块连接所述上臂骨的下端，且所述前臂骨和所述上臂骨之间通过用于驱动所述第三关节模块活动的气动肌肉连接；所述上臂骨和所述前臂骨上各设置有一个用于感应人体上肢运动趋势的压力环。

具体地，所述压力环包括第一应力感应环和第二应力感应环，所述第一应力感应环和所述第二应力感应环的轴线共线。所述第一应力感应环由面对称设置的第一弧形夹臂21和第二弧形夹臂22构成，所述第二应力感应环由面对称设置的第三弧形夹臂23和第四弧形夹臂24构成；所述压力环还包括环安装块25、第一应力夹持块26和第二应力夹持块27，所述第一应力夹持块26通过第一夹持气缸28连接所述环安装块25，所述第二应力夹持块27通过第二夹持气缸29连接所述环安装块25，所述第一弧形夹臂21和所述第三弧形夹臂23均固定安装在所述第一应力夹持块26上，所述第二弧形夹臂22和所述第四弧形夹臂24均固定安装在所述第二应力夹持块27上。上述结构的压力环可以监测垂直于外骨骼骨骼框架三个方向上的力。

所述背臂骨包括背臂支撑骨架31、安装在所述背臂支撑骨架31上的背臂固定环座32、以及安装在所述背臂固定环座32上的背臂肌肉固定环33；所述第一关节模块包括第一关节转轴41、第一转轴安装块42和第一转轴连接块43，所述第一转轴安装块42和所述第一转轴连接块43通过所述第一关节转轴41铰连接，所述第一转轴安装块42固定连接所述肩部侧向骨架11，所述第一转轴连接块43固定连接所述背臂支撑骨架31；用于驱动所述第一关节模块活动的气动肌肉连接所述背臂肌肉固定环33和所述第一转轴安装块42。

所述上臂骨包括上臂支撑骨架51、安装在所述上臂支撑骨架51上的上臂固定环座52、以及安装在所述上臂固定环座52上的上臂肌肉固定环53；所述第二关节模块包括第二关节转轴61、第二转轴安装块62和第二转轴连接块63，所述第二转轴安装块62和所述第二转轴连接块63通过所述第二关节转轴61铰连接，所述第二转轴安装块62固定连接所述肩部前向骨架12，所述第二转轴连接块63固定连接所述上臂支撑骨架51；用于驱动所述第二关节模块活动的气动肌肉连接所述上臂肌肉固定环53和所述第二转轴安装块62。

所述前臂骨包括前臂支撑骨架71、安装在所述前臂支撑骨架71上的前臂固定环座72、以及安装在所述前臂固定环座72上的前臂肌肉固定环73；所述第三关节模块包括第三关节转轴81、第三转轴安装块82和第三转轴连接块83，所述第三转轴安装块82和所述第三转轴连接块83通过所述第三关节转轴81铰连接，所述第三转轴安装块82固定连接所述上臂支撑骨架51，所述第三转轴连接块83固定连接所述前臂支撑骨架71；用于驱动所述第三关节模块活动的气动肌肉连接所述前臂肌肉固定环73和所述第三转轴安装块82。所述前臂支撑骨架71的下端还设置有前臂握环74。

为了实现使用者与外骨骼的协调动作，外骨骼需预判使用者的运动趋势，执行相同的动作，上述外骨骼中使用压力环实现对使用者运动趋势的感知：外骨骼在正常状态下关节肌肉均处于张紧状态，即外骨骼关节整体可近似视作为一个粘和整体，使用者通过压力环与外骨骼骨骼框架进行固定，当使用者手臂产生运动趋势时，会被骨骼压力环阻碍，导致当前方向骨骼压力环与使用者手臂之间的压力增大，反映为当前方向压力环悬臂梁形变，导致应变片电压变化。

外骨骼检测当前方向受力变化后判断使用者运动方向趋势，控制电磁阀完成当前关节的转动，直到使用者与外骨骼间压力稳定于0。外骨骼的控制系统可以近似看为将压力环所受压力尽可能减小的控制策略；换而言之，即使用者使用很小的力量拖动整个外骨骼系统。

以上对本发明的较佳实施进行了具体说明，当然，本发明还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本发明的保护范围内。