本申请涉及人体助力机械领域，特别涉及一种软体气动式关节助力设备。
背景技术：
人体助力机械通常是出于辅助或增强目的、为人体提供额外的机械动力、以协助人体完成其正常难以实现的动作的设备，典型的人体助力机械一般以外骨骼形式附着在人体相关部位。作为一种贴近人体使用的设备，无论是民用还是军用的人体助力机械，其最终目标均应该是在满足安全性和实用性的前提下，尽量提升操作效率和用户使用的舒适性。
早期的人体助力机械全部采用刚性部件组成，这种设计方式较易实现，也比较容易控制线性力传递和提供有力的身体支撑，但因为刚性部件的笨重和冷硬，用户在穿用时也极易感到不适；同时刚性部件在完成一些轻柔且技巧性的动作时，比如关节动作等，也很难完美匹配人体需求。为此现有技术中进一步出现了一些气动驱动的柔性部件，这些柔性部件主要用于辅助关节动作。
进一步地，现有技术中提供了如图1所示的软体机器人手套，通过在手指部位设置一系列的气囊(气动网络)来协助手指实现弯曲和伸展。具体如图2所示，当向气动网络的气囊中充气时，气囊非受限一面会体积膨胀，单侧的膨胀引起整体的弯曲形变，从而为手指弯曲提供助动力。
但是，发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术中气动网络的多个气囊无差别地设置在整个肢体(手指)上，每个气囊的充气膨胀和吸气收缩也是无差别的，其实际膨胀和收缩的最终效果如图2所示。由图2可以看出，现有技术中气动驱动的柔性部件的实际力传递和变形的情况与人体的肢体构造还是存在着较大的差异。采用图1、2的设计方式，均匀弯曲成半圆形的助力设备虽然可以带动手指产生一定的弯曲，但是因弯曲情况与人肢体的弯曲情况(人的肢体更类似于串联的连杆结构，仅在关节处产生弯曲，关节之外仍是平直的结构)有较大差异，在实际使用时会在关节处拱起而无法贴合肢体；如果通过较紧的束缚来限制拱起脱离肢体，又会向肢体局部施加过大的束缚力(拉力或摩擦力等)，引起用户不适，甚至可能损伤用户肢体。
此外，图1、2的设计方式可以为关节弯曲提供助力，但是在关节伸展时，如果仅依靠对气囊进行抽压(可以抽成负压状态)来使其反向形变、从而带动肢体张开，以目前的材料和工艺水平来说，抽压能使气囊发生的反向形变较小，很难提供足够的助力，协助肢体伸展的效果并不理想。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种与关节活动情况更佳匹配，用户佩戴更为舒适的软体气动式关节助力设备，以提升关节助力设备的效率、效果和舒适程度。
为达到上述目的，本申请实施例的第一方面，提供了一种软体气动式关节助力设备，包括：肢体附着物和设置在所述肢体附着物表面的至少一组气囊；其中，所述肢体附着物用于将所述关节助力设备固定在肢体表面；每组气囊对应所述肢体的一个关节设置，每组气囊中包括至少一个气囊，所述至少一个气囊的截面积和/或体积从所述关节处向两侧减小。
可选地，每组气囊中，所述至少一个气囊对应所述关节的至少一个表面设置。
可选地，设置在同一个表面的多个气囊通过至少一个气路通道连通。
可选地，所述关节的侧面设置有至少一个转轴，设置在同一个表面的多个气囊的底部与所述转轴相连接。
可选地，所述气囊的外侧设置有刚性和/或韧性的支架，所述气囊通过所述支架连接到所述转轴。
可选地，所述气囊的底部沿关节的侧面向相对的另一表面延伸，环绕所述肢体并包裹所述关节。
可选地，每组气囊中包括设置在所述关节内表面的一个气囊和/或设置在所述关节外表面的多个气囊。
可选地，所述设置在所述关节内表面的所述一个气囊在非充气状态保持柔性，在充气后硬化成特定的形状。
可选地，所述设置在所述关节内表面的所述一个气囊采用高韧性塑料薄膜、热塑性聚氨酯弹性体橡胶或高强度复合布制成。
可选地，所述气囊的截面呈弧形、拱形、水滴形或月牙形设置。
可选地，所述至少一个气路通道连通至少一组气囊。
可选地，所述至少一个气路通道设置在所述气囊底部和/或侧边。
可选地，所述肢体附着物是采用包裹和/或束缚的方式固定在肢体表面的布状和/或带状材料。
可选地，连通相同气囊的所述至少一个气路通道相互平行。
可选地，所述至少一个气路通道将每个气囊隔离成多个区域。
可选地，每个所述气路通道分别连接一个充气管。
可选地，每组气囊相对于所述关节中心对称设置。
可选地，每组气囊中，位于所述关节第一端的气囊的截面积和/或体积整体略大于另一端。
可选地，所述设置在所述关节内表面的所述一个气囊的长度大于所述设置在所述关节外表面的所述多个气囊中每个气囊的长度；同时，所述设置在所述关节内表面的所述一个气囊的长度与所述设置在所述关节外表面的所述多个气囊的总长度相近。
可选地，每组气囊的总长度不超过所述关节活动区域总长度的两倍。
本申请实施例的技术方案通过采用向关节两侧减小的气囊设置方式，使气囊所能产生的形变从关节中心处向两侧减小，从而使设备提供的助力和整体的形变与关节的动作形式更为相符，在提供了更满足关节动作的需要助力的同时，还使设备整体在任何状态下都更为贴合肢体，全面满足用户对设备性能和舒适性等各方面的需求。
附图说明
图1为现有技术中软体机器人手套的一个典型的示例；
图2为图1所示的软体机器人手套中的一个手指处的气动网络的典型示例；
图3为本申请一个实施例中软体气动式关节助力设备的结构示意图；
图4为本申请另一个实施例中软体气动式关节助力设备的结构示意图；
图5为本申请图4所示实施例中软体气动式关节助力设备在另一个方向上的结构示意图；
图6为本申请再一个实施例中软体气动式关节助力设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
人体助力机械的本质是为人体活动提供辅助动力，因而人体的使用体验对助力设备来说是至关重要的性能指标，现有技术中出现了气动驱动的柔性部件来提升用户体验，但现有的柔性部件在应对关节部的弯曲和伸展时仍存在着一定缺陷。为进一步提升助力设备的性能，本申请的实施例提供了一种软体气动式关节助力设备，如图3所示，包括：肢体附着物和设置在所述肢体附着物表面的至少一组气囊；其中，所述肢体附着物用于将所述关节助力设备固定在肢体表面；每组气囊对应所述肢体的一个关节设置，每组气囊中包括至少一个气囊，所述至少一个气囊的截面积和/或体积从所述关节处向两侧减小。
其中，两侧是指以所述关节为中心而远离所述关节的方向。通过这种向两侧减小的气囊设置方式，本申请实施例的技术方案中，气囊所能产生的形变从关节中心处向两侧减小，从而使设备提供的助力和整体的形变与关节的动作形式更为相符。故本申请提供的助力设备一方面可使设备提供的助力更满足关节动作的需要，另一方面使设备整体在任何状态下都更为贴合肢体，在提高了辅助动作的效率和效果的同时，还提升了用户使用时的舒适程度，全面满足用户各方面的需求。
可选地，所述气囊由硅胶等柔性材料制成；所述肢体附着物通常是采用包裹和/或束缚的方式固定在肢体表面的布状和/或带状材料，比如可环绕套装在肢体上的弹性织物、或通过搭扣/粘接等方式连接后环绕肢体的部件组等。肢体附着物整体类似于佩戴在关节或肢体上的用具，如护膝、护肘、护腕、护踝、血压计、腰带、腰包、背包、臂包、手表、手环或者如图1所示的手套等，现有技术中存在的多种肢体附着手段均可用于本申请的技术方案中，在此不再一一列举，肢体附着物的具体形式不应视作对本申请具体实施方式的限制。
实施例一
更进一步地，所述至少一个气囊对应所述关节的至少一个表面设置，在同一表面的多个气囊通过气路通道连通；气路通道可以仅连通本组的多个气囊，也可同时连通多组气囊。
关节的表面通常包括内表面、外表面和侧面，其中，内表面指关节弯曲时折叠处所对应的表面，外表面指关节弯曲时突起处所对应的表面，侧面则是指内外表面之外的其他表面。气囊优选设置在关节的外表面和/或内表面处。
在本申请的一个优选实施例中，如图3所示，所述软体气动式关节助力设备优选将多个气囊设置在关节的外表面处，多个气囊为多个连续的拱形，多个气囊的截面积/体积从所述关节处向两侧减小(即关节中心处气囊最大，两侧气囊逐渐变小)，多个气囊通过至少一个气路通道连通。
气路通道优选设置在气囊底部中心，但也可根据设备的使用情况而调整气路通道的位置和/或数量。比如，根据肢体形状为便于沿肢体侧边布设充气管而在气囊的一个或两个侧边设置气路通道；也可在气囊底部平行设置多个气路通道，以增强充放气的效率和效果。还可进一步地通过多个气路通道将每个气囊隔离成多个区域，甚至每个气路通道还可分别连接一个充气管等。以上优选的设置方式都可在一定程度上改进气囊膨胀和/或收缩的效果，在此气路通道的数量和/或设置方式不应视作对本申请具体实施方式的限制。
实施例二
在本申请的另一优选实施例中，设置在关节外表面的多个气囊的底部进一步向关节的侧面延伸，关节侧面对应处设置有转轴，多个气囊的底部与转轴相连接。通过转轴的限位与固定，可以进一步限定气囊的形变形式和发力方向，从而把气囊膨胀产生的膨胀力更好地转化成关节的弯曲力。
更进一步地，还可在气囊外侧增加刚性和/或韧性的支架，气囊通过所述支架连接到所述转轴。相对于柔性的气囊，支架的限位和固定作用更为明显，因而可以更好地控制形变和力传递，进一步提升设备的工作效率和效果。
实施例三
在本申请的另一优选实施例中，如图4、5所示，对气囊的形状和设置方式做了进一步的改动。具体地，在图4中，气囊的底部进一步沿关节的侧面向相对的另一表面延伸(图4中展示了从关节外表面向内表面延伸的示例)，最终形成为包裹肢体和关节的形式。图4、5优选的实施例中，气囊平行于肢体方向的截面呈水滴形，垂直于肢体方向的截面呈月牙形。在本优选实施例中，气囊包裹住肢体，一方面可以增大气囊体积，提高膨胀时输出的助力，另一方面也可以提高佩戴的舒适性。
实施例四
在本申请再一个优选实施例中，气囊数量不仅限于图3-5所示的多个气囊的形式，位置也不仅限于设置在图3-5所示的关节外表面。具体地，在本申请实施例的技术方案中，每组气囊包括至少一个气囊，且每组气囊可以设置在关节的外表面和/或内表面处。即可选地，可以如图3-5所示在关节内表面或外表面设置多个气囊，其中每个气囊的截面积从中心处向两侧逐渐平滑减小，而多个气囊的最大截面积(即每个气囊中心处的截面积)从所述关节处向两侧减小。当然，也可以在关节内表面或外表面仅设置一个气囊，该气囊的截面积从所述关节处向两侧逐渐平滑减小。多个气囊的设置方式优选如图3所示，更优选地，多个气囊主要设置在关节的外表面处；单个气囊的设置方式优选如图6所示，更优选地，单个气囊主要设置在关节的内表面处；图6中单个气囊的截面呈弧形，该弧形最高点与关节中心对应，随后向两侧逐渐减小。
此外，在图3-5所示实施例中，多个气囊的实施方式均以单数个气囊的形式展示，当气囊为单数个时，关节中心处的气囊截面积和/或体积最大，中心两侧的气囊截面积和/或体积依次递减；当然本申请实施例中也可采用偶数个气囊的实施方式，当气囊为偶数个时，以关节中心处为对称轴，最靠近关节中心处的气囊截面积和/或体积最大，随后气囊截面积和/或体积向两侧依次递减。当然，非对称的气囊设置方式也是可选的实施方式，比如，在保持向两侧递减的趋势下，根据肢体的形状或关节活动需要的力量的具体情况，可使位于关节第一端的气囊的截面积和/或体积整体略大于另一端。典型地，因通常关节前端动作幅度更大，可将前端气囊的体积设置得更大一些；又或者因通常关节后端需要提供足够的支持力，可将后端气囊底部的面积设置得更大一些。在此，本申请实施例的技术方案只要求整体上气囊的截面积和/或体积从关节处向两侧减小，气囊的个数及设置方式不应视作对本申请具体实施方式的限制。
因气囊吸气收缩后体积较小，截面积和/或体积差异不明显，上述气囊截面积和/或体积大小的比较优选指气囊充气膨胀状态下的截面积和/或体积。
在本申请技术方案的其他优选实施例中，气囊的大小、个数及总长度视关节大小而定，但通常情况下每组气囊仅设置在关节附近而不向两侧延伸过多。每组气囊的总长度不超出关节活动区域总长度的两倍；关节活动区域主要指关节活动时会发生形变的主要肢体区域；通常关节活动时骨骼、肌肉和体表的皮肤均会发生形变，但鉴于可直接观察到的主要是皮肤的形变，此处优选以肢体皮肤的形变为准。此外，单个气囊的设置方式中，单个气囊的长度大于多个气囊的设置方式中每个气囊的长度；或者换言之，单个气囊的设置方式中，单个气囊的长度与多个气囊的设置方式中多个气囊的总长度相近。更优选地，在图6所示的实施例中，设置在关节内表面的单个气囊并非始终保持柔性，比如可采用高韧性塑料薄膜、tpu(thermoplasticpolyurethanes，热塑性聚氨酯弹性体橡胶)或高强度复合布等制成，非充气状态保持柔软，一旦充气则会硬化成特定的形状，以实现充气后为关节张开提供辅助的支撑力的作用。
本申请的实施例提供了一种软体气动式关节助力设备，通过采用向关节两侧减小的气囊设置方式，使得气囊所能产生的形变从关节中心处向两侧减小，从而使设备提供的助力和整体的形变与关节的动作形式更为相符。故本申请的技术方案一方面可使设备提供的助力更满足关节动作的需要，另一方面使设备整体在任何状态下都更为贴合肢体，在提高了辅助动作的效率和效果的同时，还提升了用户使用时的舒适程度，全面满足用户各方面的需求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。