一种能实现人体能量迁移的无源上肢助力外骨骼装置的制作方法

本发明属于康复理疗辅助设备技术领域，具体涉及一种能实现人体能量迁移的无源上肢助力外骨骼装置。

背景技术

上肢助力外骨骼是一种可穿戴的用于增强上肢功能的人机一体化智能助力装置，广泛应用于军事、工业生产和医疗康复等领域以帮助士兵、工人、护士、老年人及残障人士提举重物或进行康复训练。因此，设计开发助力外骨骼机器人具有重要意义。

1960年，美国ge通用公司首次设计出液电混合驱动上肢助力外骨骼“hardiman”，可将穿戴者的力量增大25倍。随后美国加利福尼亚大学研发了液压驱动外骨骼手臂机械系统，穿戴者可举起4000磅重物。日本神奈川理工学院专门为护士研发了气压驱动式全身外骨骼，可有效协助护士照顾偏重的患者。美国亚利桑那州州立大学研发了上肢康复外骨骼rupert，通过气动肌肉驱动外骨骼运动，可协助患者实现多种运动训练和日常基础动作。目前国内对上肢助力外骨骼的开展研究的科研院校有清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等，其中哈工大和浙大分别研发了电机驱动五自由度上肢外骨骼和气动六自由度上肢外骨骼。

现有技术中，上肢助力外骨骼均依靠外部电源为液压、电机或气压驱动装置供能实现驱动，这种有源式上肢助力外骨骼驱动力大，但结构复杂，重量大且工作范围受限于电源。文献“designofapassive,iso-elasticupperlimbexoskeletonforgravitycompensation”介绍了一种用于动力补偿的无源上肢外骨骼，该外骨骼只能在重物被托举后起到助力作用，以帮助穿戴者维持长时间的托举状态，而且不能在托举过程中起到助力作用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种能实现人体能量迁移的无源上肢助力外骨骼装置，可实现将手臂摆动过程中的能量进行收集储存并在托举重物时将能量迁移释放至气动肌肉以辅助穿戴者托举重物，克服了现有有源上肢助力外骨骼装置结构复杂，重量大，工作范围受电源限制等主要技术问题。

本发明的技术方案是：

一种能实现人体能量迁移的无源上肢助力外骨骼装置，包括肩坎组件，所述肩坎组件的两侧分别设置有人力空气压缩机，所述人力空气压缩机通过套筒与肩坎组件固定，所述肩坎组件前面的两侧分别设置有气动肌肉，所述气动肌肉的下端通过前臂托扣与前臂套筒固定，所述肩坎组件的背部设置有背部支架，所述背部支架上设置有气压控制系统，所述气压控制系统分别与气动肌肉、人力空气压缩机和手部压感装置连接，所述手部压感装置、人力空气压缩机、肩坎组件分别通过绑带或系扣固定穿戴在手心、上臂和肩部。

优选的，所述肩坎组件包括左肩坎、铰链一、高压气体储存罐支撑架、铰链二、右肩坎和阀岛，所述左肩坎和右肩坎分别通过铰链二、铰链一和阀岛连接，所述阀岛上方固定高压气体储存罐支撑架，所述阀岛的下端面设置有两个竖直杆，所述竖直杆上依次穿设固定气控阀一、气控阀二和与阀。

优选的，所述肩坎组件采用仿生形状设计可与人体肩部紧密贴合，内部设置有增加穿戴舒适性的衬垫，所述衬垫的材料为海绵或者记忆棉。

优选的，所述人力空气压缩机包括环形气缸与摇杆，所述环形气缸的上端依次均布设置有进气单向阀一、排气单向阀一、排气单向阀二、进气单向阀二，所述进气单向阀二和进气单向阀一直通外部空气，所述排气单向阀一与排气单向阀二分别与分流器三的多路通口连接，分流器三的单路通口连接环形气缸排气管，所述环形气缸排气管的另一端与气控阀一连接，所述摇杆包括连杆和固定在连杆顶端的u型活塞，所述u型活塞与环形气缸滑动连接，连杆上设置有与上臂固定的绑带。

优选的，所述环形气缸包括半环型的缸体，所述缸体内对称开设有第一容置腔和第二容置腔，所述第二容置腔中部设置第二限位槽，所述第二容置腔远离缸体开放端的一端分别开设有进气孔二和排气孔二，所述排气孔二和排气单向阀二连通，所述进气孔二和进气单向阀二连通，所述第一容置腔中部设置有第一限位槽，所述第一容置腔远离缸体开放端的一端分别开设有进气孔一和排气孔一，所述排气孔一和排气单向阀一连通，所述进气孔一和进气单向阀一连通。

优选的，所述气压控制系统包括与背部支架固定的高压气体存储罐，所述高压气体存储罐两端分别连接有进气管和排气管，所述排气管通过分流器一分别与气控阀一和与阀连接，所述进气管与气控阀一连接，所述气动肌肉通过气动肌肉进气管和与阀连接，气动肌肉排气管和气控阀二连接，所述气控阀二和与阀分别与分流器二的多路通口连接，所述分流器二的单路通口与手部压感装置排气管连接，所述手部压感装置排气管的另一端与手部压感装置连接。

与现有技术相比，本发明提供的一种能实现人体能量迁移的无源上肢助力外骨骼装置，采用环形气缸与摇杆构成的人力空气压缩机，可有效收集人体上肢摆动中的能量，并可将该能量存储于高压气体存储罐内。当穿戴者在托举重物时，高压气体存储罐内的高压气体能量可迁移至气动肌肉内，气动肌肉膨胀收缩牵引前臂摆动从而辅助穿戴者实现托举过程。托举成功后，肩部可通过肩坎组件和气动肌肉承担一部分物体的重量，减少手臂在搬运重物时施加的力。

在整个助力过程中，该上肢助力外骨骼不需要外部能源供能，可完全通过对人体自身能量的管理和迁移实现助力功能，从而摆脱了电源对外骨骼工作范围的限制。此外，整个外骨骼装置都采用了气压驱动，驱动装置为气动肌肉，因此外骨骼整体结构的简单且质量较轻。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的人力空气压缩机组件的结构示意图；

图3为本发明的肩坎组件的结构示意图；

图4为本发明的气动肌肉组件的结构示意图；

图5为本发明的环形气缸的结构示意图；

图6为本发明的总体结构的左视图。

附图标记：

1、手部压感装置；2、前臂套筒；3、前臂托扣；4、气动肌肉；5、人力空气压缩机；6、环形气缸排气管；7、气动肌肉进气管；8、肩坎组件；9、高压气体储存罐进气管；10、高压气体存储罐；11、高压气体储存罐排气管；12、气控阀一；13、气控阀二；14、与阀；15、气动肌肉排气管；16、手部压感装置排气管；17、进气单向阀一；18、排气单向阀一；19、排气单向阀二；20、进气单向阀二；21、环形气缸；2101、缸体；2102、第一容置腔；2103、第一限位槽；2104、进气孔一；2105、排气孔一；2106、排气孔二；2107、进气孔二；2108、第二限位槽；2109、第二容置腔；22、摇杆；23、左肩坎；24、铰链一；25、高压气体储存罐支撑架；26、铰链二；27、右肩坎；28、阀岛；29、气动肌肉进气阀；30、气动肌肉排气阀。

具体实施方式

本发明提供了一种能实现人体能量迁移的无源上肢助力外骨骼装置，下面结合图1到图6的结构示意图，对本发明进行说明。

如图1和图6所示，本发明提供的一种能实现人体能量迁移的无源上肢助力外骨骼装置，包括肩坎组件8，所述肩坎组件8的两侧分别设置有人力空气压缩机5，所述人力空气压缩机5通过套筒与肩坎组件8固定，所述肩坎组件8前面的两侧分别设置有气动肌肉4，所述气动肌肉4的下端通过前臂托扣3与前臂套筒2固定，所述肩坎组件8的背部设置有背部支架，所述背部支架上设置有气压控制系统，所述气压控制系统分别与气动肌肉4、人力空气压缩机5和手部压感装置1连接，所述手部压感装置1、人力空气压缩机5、肩坎组件8分别通过绑带或系扣固定穿戴在手心、上臂和肩部。

进一步的，如图3所示，所述肩坎组件8包括左肩坎23、铰链一24、高压气体储存罐支撑架25、铰链二26、右肩坎27和阀岛28，所述左肩坎23和右肩坎27分别通过铰链二26、铰链一24和阀岛28连接，所述阀岛28上方固定高压气体储存罐支撑架25，所述阀岛28的下端面设置有两个竖直杆，所述竖直杆上依次穿设固定气控阀一12、气控阀二13和与阀14。

进一步的，所述肩坎组件8采用仿生形状设计可与人体肩部紧密贴合，内部设置有增加穿戴舒适性的衬垫，所述衬垫的材料为海绵或者记忆棉。

进一步的，如图2所示，所述人力空气压缩机5包括环形气缸21与摇杆22，所述环形气缸21的上端依次均布设置有进气单向阀一17、排气单向阀一18、排气单向阀二19、进气单向阀二20，所述进气单向阀二20和进气单向阀一17直通外部空气，所述排气单向阀一18与排气单向阀二19分别与分流器三的多路通口连接，分流器三的单路通口连接环形气缸排气管6，所述环形气缸排气管6的另一端与气控阀一12连接，所述摇杆22包括连杆和固定在连杆顶端的u型活塞，所述u型活塞与环形气缸21滑动连接，连杆上设置有与上臂固定的绑带。

进一步的，如图5所示，所述环形气缸21包括半环型的缸体2101，所述缸体2101内对称开设有第一容置腔2102和第二容置腔2109，所述第二容置腔2109中部设置第二限位槽2108，所述第二容置腔2109远离缸体2101开放端的一端分别开设有进气孔二2107和排气孔二2106，所述排气孔二2106和排气单向阀二19连通，所述进气孔二2107和进气单向阀二20连通，所述第一容置腔2102中部设置有第一限位槽2103，所述第一容置腔2102远离缸体2101开放端的一端分别开设有进气孔一2104和排气孔一2105，所述排气孔一2105和排气单向阀一18连通，所述进气孔一2104和进气单向阀一17连通。

进一步的，所述气压控制系统包括与背部支架固定的高压气体存储罐10，所述高压气体存储罐10两端分别连接有进气管9和排气管11，所述排气管11通过分流器一分别与气控阀一12和与阀14连接，所述进气管9与气控阀一12连接，所述气动肌肉4通过气动肌肉进气管7和与阀14连接，气动肌肉排气管15和气控阀二13连接，所述气控阀二13和与阀14分别与分流器二的多路通口连接，所述分流器二的单路通口与手部压感装置排气管16连接，所述手部压感装置排气管16的另一端与手部压感装置1连接。

本发明提供的一种能实现人体能量迁移的无源上肢助力外骨骼装置，包括手部压感装置1、前臂套筒2、前臂托扣3、气动肌肉4、人力空气压缩机5、环形气缸排气管6、气动肌肉进气管7、肩坎组件8、高压气体储存罐进气管9、高压气体存储罐10、高压气体储存罐排气管11、气控阀一12、气控阀二13、与阀14、气动肌肉排气管15、手部压感装置排气管16。

其中，手部压感装置1、人力空气压缩机5和肩坎组件8可通过绑带或系扣固定在人体手心、上臂和肩部，从而将上肢外骨骼穿戴在身上。

其中，人力空气压缩机5固定在肩坎组件8的两侧，构成了上肢助力外骨骼两侧的肩关节。肩坎组件8与前臂套筒2之间通过气动肌肉4相连，气动肌肉4的上端与肩坎组件8前侧固定连接，气动肌肉4下端与前臂托扣3上方固定连接，前臂托扣3与前臂套筒2固定连接。

其中，气动肌肉4平行于人体上臂肱二头肌，驱动上肢助力外骨骼的肘关节运动。人力空气压缩机5包括环形气缸21和摇杆22，上肢的摆动可带动人力空气压缩机5为高压气体存储罐10提供高压气体，从而将上肢摆动的能量转换为高压气体存储罐10所储存的气压能，实现上肢摆动时能量的收集与存储。人力空气压缩机5与高压气体存储罐10之间还装有气控阀一12，当高压气体存储罐10内的气压降低到低压预定值时，气控阀一12打开，空气压缩机便可将高压气体压入存储罐10中，待存储罐10内气压回升至高压预定值时，气控阀一12关闭，高压气体补充完毕。

其中，在穿戴者的手心安装有手部压感装置1，通过搬运货物时手部压感装置1发出的信号确定与阀14与气控阀二13的开闭，实现对上肢助力外骨骼动力输出的控制。手部压感装置1可控制高压气体存储罐10为上肢助力外骨骼提供动力，实现将上肢摆动的能量迁移至气动肌肉4中为穿戴者在托举重物时助力。当穿戴者托举重物时，手部压感装置1被压缩，使得气动肌肉4进气口处的与阀14打开，排气口处的气控阀二13闭合，高压气体存储罐10内储存的高压气体流入气动肌肉4中，导致气动肌肉4膨胀而长度收缩，从而牵引穿戴者上肢运动提供助力。当穿戴者放下重物时，手部压感装置1恢复原有状态，则气动肌肉4进气口处的与阀14闭合，排气口处的气控阀二13打开，气动肌肉4中的高压气体流出，而恢复原状。在穿戴者下一次托举重物之前需连续摆动上肢为高压气体存储罐10补充高压气体后才可再次为上肢提供助力。

其中，可通过人力空气压缩机5收集上肢摆动的能量，高压气体存储罐10储存上肢摆动的能量，当托举重物时将收集存储的能量释放至气动肌肉4牵引手臂托举，最终实现将上肢摆动的能量迁移至气动肌肉4为上肢托举重物助力。

本实施例中的一种能实现人体能量迁移的无源上肢助力外骨骼装置，利用手部压感装置1、人力空气压缩机5、肩坎组件8通过绑带或系扣与手心、上臂、肩部分别固定连接，实现人体上肢与外骨骼的同步伸屈运动。肩坎组件8中间由铰链连接，增加肩坎组件8的自由度以适应人体肩部的内收与外展。人力空气压缩机5与肩坎组件固连，构成上肢外骨骼的肩关节。气动肌肉4的上端与肩坎组件8前侧通孔相连，下端通过前臂托扣3与前臂套筒2相连，模拟肱二头肌在人体的相对位置。高压气体存储罐10、气控阀一12、气控阀二13、与阀14直接固定在肩坎组件8的背部。

手臂的摆动可带动人力空气压缩机5为高压气体存储罐10提供高压气体，从而将上肢摆动的能量转换为高压气体存储罐6所储存的气压能，实现手臂摆动时能量的收集与存储。人力空气压缩机5由环形气缸21和摇杆22组成，环形气缸21上设置进气单向阀一17、排气单向阀一18、排气单向阀二19和进气单向阀二20，其中进气单向阀一17、进气单向阀二20直接连接外部空气，排气单向阀一18、排气单向阀二19通过环形气缸排气管6与气控阀一12相连。

其中，第一容置腔2102和摇杆22上端的u型活塞构成第一气缸，第二容置腔2109和摇杆22上端的u型活塞构成第二气缸。

人力空气压缩机5的工作过程为：当上肢向前摆动时，人力空气压缩机5可跟随上肢向前摆动，环形气缸21上的进气单向阀17与排气单向阀19闭合，排气单向阀18与进气单向阀20打开，即环形气缸21的第二气缸进气而第一气缸将空气压入高压气体存储罐10中；当手臂向后摆动时，过程与其相反。气控阀一12用于控制高压气体的储存，当高压气体存储罐10中的气压降低到低压预定值时，气控阀一12打开，空气压缩机5便可将高压气体压入存储罐10中，待存储罐10中气压回升至高压预定值时，气控阀一12关闭，高压气体补充完毕。

人体前臂的前后摆动通过绑带带动摇杆做前后摆动运动，由此压缩环形气缸内的空气通过排气阀进入储气罐。当储气罐内的气压高于预定值时，气控阀一12关闭，充气停止。当搬运货物时，手部压感装置内的气体受到压缩，导致与阀开启，气控阀二13关闭，储气罐内的高压气体压入气动肌肉，导致气动肌肉收缩带动手臂抬起货物，整个装置是将手臂摆动的能量迁移至气动肌肉，辅助搬运货物。

手部压感装置1控制气动肌肉4的驱动。当穿戴者托举重物时，手部压感装置1被压缩，手部压感装置1中的气体通过手部压感装置排气管16压入气控阀二13和与阀14内。此时，气控阀二13闭合，与阀14打开，高压气体存储罐10中的高压气体便可通过高压气体储存罐排气管11、与阀14、气动肌肉进气管7进入气动肌肉4中，导致气动肌肉膨胀而长度收缩，从而牵引穿戴者上肢运动，为托举过程提供助力。当穿戴者放下重物时，手部压感装置1恢复原状，气控阀二13打开，与阀14闭合，气动肌肉4中的高压气体通过气动肌肉排气管15流出，而恢复原状。在穿戴者下一次托举重物之前需连续摆动上肢为高压气体存储罐10补充高压气体后才可再次为上肢提供助力。

如图1和图6所示，肩坎组件8采用仿生形状设计可与人体肩部紧密贴合，其背部通过铰链连接可适应肩部的内收和外展，其内部可添加柔软衬垫以增加穿戴舒适性。人力空气压缩机5与套筒配合固定在肩坎组件8两侧。前臂套筒2采用仿生形状设计，可固定在人体前臂上。前臂套筒2通过气动肌肉4与肩坎组件8相连，其中气动肌肉4上端与肩坎组件8前侧通孔相连，气动肌肉4下端通过前臂托扣与前臂套筒2相连。高压气体存储罐10、气控阀一12、气控阀二13、与阀14通过背部支架固定于肩坎组件8背部。手部压感装置1、人力空气压缩机5、肩坎组件8通过绑带或系扣固定在手心、上臂、肩部相连，实现该上肢外骨骼的穿戴。

如图2，所述人力空气压缩机组件5由进气单向阀一17、排气单向阀一18、排气单向阀二19、进气单向阀二20、环形气缸21和摇杆22组成。进气单向阀一17、排气单向阀一18、排气单向阀二19、进气单向阀二20均匀分布于环形气缸21上方，环形气缸21和摇杆22上端的u型活塞互相配合。环形气缸21内部空间分为对称的第一容置腔和第二容置腔两部分且相互之间未连通，第一容置腔上设置有进气单向阀一17、排气单向阀一18，且第一容置腔与u型活塞滑动连接，第二容置腔上设置有排气单向阀二19、进气单向阀二20，且第二容置腔与u型活塞滑动连接。第一容置腔和第二容置腔内均设置有限位槽，起到为u型活塞限位的作用。进气单向阀一17、进气单向阀二20直接连接外部空气，排气单向阀一18、排气单向阀二19通过环形气缸排气管6与气控阀一12相连。

如图3，所述肩坎组件8由左肩坎组件23、铰链一24、高压气体储存罐支撑架25、铰链二26、右肩坎27和阀岛28组成。左肩坎23和右肩坎27通过铰链一24、阀岛28与铰链二26连接。通过铰链一24和铰链二26可增加肩坎组件8在冠状面内的自由度，实现外骨骼肩部的外展和内收，对肩坎组件进行仿生设计。阀岛28通过与铰链一24和铰链二26相连而固定在肩坎组件8的背部，其上端通过螺栓固定高压气体储存罐支撑架25，其下端两杆与气控阀一12、气控阀二13和与阀14串联并通过螺栓连接将三个阀体固定在阀岛28上。

如图4，气动肌肉4两端由气动肌肉进气阀29与气动肌肉排气阀30控制高压气体的流入流出，其中气动肌肉进气阀29与气动肌肉进气管7相连，气动肌肉排气阀30与气动肌肉排气管15相连。气动肌肉4的上端与肩坎组件8前侧通孔相连，下端通过前臂托扣3与前臂套筒2相连。

其中，气动肌肉4采用festo的气动肌腱dmsp5。

其中，与阀14采用festo的zk-pk-3-6/3。

本发明提供的一种能实现人体能量迁移的无源上肢助力外骨骼装置，采用环形气缸与摇杆构成的人力空气压缩机，可有效收集人体上肢摆动中的能量，并可将该能量存储于高压气体存储罐内。当穿戴者在托举重物时，高压气体存储罐内的高压气体能量可迁移至气动肌肉内，气动肌肉膨胀收缩牵引前臂摆动从而辅助穿戴者实现托举过程。托举成功后，物体的一部分重量可以通过气动肌肉传至肩坎组件，再由肩坎组件传至肩部，最终由肩部承担一部分物体的重量，减少手臂在搬运重物时施加的力。

在整个助力过程中，该上肢助力外骨骼不需要外部能源供能，可完全通过对人体自身能量的管理和迁移实现助力功能，从而摆脱了电源对外骨骼工作范围的限制。此外，整个外骨骼装置都采用了气压驱动，驱动装置为气动肌肉，因此外骨骼整体结构的简单且质量较轻。本发明实用性好，在军事作战和康复医疗等领域均可进行应用，值得推广。

以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。