一种可穿戴型膝关节助力机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种可穿戴型膝关节助力机器人，包括控制系统部件(1)、柔性执行机构(2，3)、足底薄膜压力传感器组(4，5)等。所述可穿戴型膝关节助力机器人以微型气泵为气动动力源，作用于膝关节的柔性执行机构(2，3)采用气囊增压与扭力弹簧蓄能相结合的柔性作用方式，基于足底薄膜压力传感器组(4，5)对步态参数的实时采集和反馈，膝关节助力机器人控制系统部件(1)对柔性执行机构(2，3)进行实时控制，在人行走过程中按照步态周期提供作用于辅助膝关节弯曲和伸展的柔性转矩，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于柔性外骨骼机器人技术和可穿戴型助力机器人领域，特别涉及一种可穿戴型膝关节助力机器人。
技术介绍
伴随老年人肌力机能、心肺功能的退化，步行所占日常活动的比例逐步减少，从而导致各种疾病罹患率大幅上升，如此恶性循环最终导致运动能力的完全丧失。另外，轻度中风患者也会造成下肢运动能力的部分失能，影响患者的行动能力。针对下肢运动能力下降的老人或者下肢运动部分失能人群的特殊要求，可穿戴型膝关节机器人可以很方便穿戴在他们身上，当人行走时机器人能够为人提供助力，以此来增加下肢运动能力下降的老人或者下肢运动部分失能人群的力量和耐力。目前大多数可穿戴型膝关节机器人装备的开发集中于功能的实现上，而在穿戴的便利性方面的设计存在很大的不足，不能自如快速的穿脱，并且穿戴的舒适性也欠佳。另外，这类机器人的部件较多，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。再有，这类外骨骼机器人庞大而繁杂，而不像是一个穿戴在人身上的辅助器械，很难达到用户的心理认同感。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种可穿戴型膝关节助力机器人。可穿戴型膝关节助力机器人主要以微型气泵为气动动力源，作用于膝关节的执行机构采用气囊增压与扭力弹簧蓄能相结合的柔性作用方式，基于足底薄膜压力传感器组对步态周期的实时反馈，控制系统部件对可穿戴型膝关节助力机器人执行机构进行实时控制，在人行走过程中按照步态周期提供作用于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，本专利技术采取的技术方案是：一种可穿戴型膝关节助力机器人，包括：控制系统部件，包括气泵系统、电气控制系统、电池组件，以及气管组件；柔性执行机构，其适合穿戴于使用者左腿和/或右腿的膝关节，能够为左腿和/或右腿的膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩；足底薄膜压力传感器组，其适合穿戴于所述使用者的左脚和/或右脚，用于识别左脚和/或右脚的步态周期，包括脚与地面接触的支撑期和腾空挪动的摆动期，为所述控制系统部件中的电气控制系统提供步态参数；所述电气控制系统根据所述步态参数控制所述气泵系统工作。优选地，所述柔性执行机构包括大腿固定板、小腿固定板、气囊、转轴、扭力弹簧、弹簧固定压板、弹簧固定件；所述的大腿固定板、小腿固定板采用碳纤维材料、镁铝合金金或硬铝合金材料制成。优选地，所述的柔性执行机构的气囊包括内部的橡胶内胆和和外部的帆布保护套，橡胶内胆在帆布保护套的内部；所述的气囊为横截面为四边形的柱型结构，随着输入压力增大，所述气囊由无压力、无固定角度状态变成180°的固定角度，从而辅助膝关节绷直。优选地，所述帆布保护套其中两个邻边留有帆布缝合面，魔术贴固定带缝制在所述帆布缝合面；所述魔术贴固定带将所述气囊固定在所述大腿固定板和小腿固定板上，气囊气压作用力将直接传导到大腿固定板和小腿固定板上。优选地，所述足底薄膜压力传感器组实时采集和反馈的步态参数信息，所述电气控制系统控制气泵系统工作，并对所述气泵系统进、出流量进行实时的闭环控制，按照步态周期为所述柔性执行机构中的气囊提供正压或负压。优选地，当穿戴了所述柔性执行机构的腿处于支撑期时，所述气泵系统为该腿的柔性执行机构的气囊提供负压；当该腿处于摆动期时，所述气泵系统为该腿的柔性执行机构的气囊提供正压。优选地，所述气囊与所述扭力弹簧形成使小腿固定板相对大腿固定板转动的一对作用力和反作用力，当所述气泵系统通过所述气管组件对所述气囊充气时，所述气囊内的气压不断增大并克服扭力弹簧的扭转力，由无压力、无固定角度状态逐渐达到固定角度180°，使小腿固定板相对大腿固定板转动并使膝关节绷直的，为膝关节提供伸展的转矩。优选地，所述气泵系统通过所述气管组件对所述气囊抽气时，气囊内压强迅速变小，扭力弹簧受自身扭转恢复力的作用恢复到自由位置；受扭力弹簧扭转恢复力作用，小腿固定板相对大腿固定板做逆时针旋转，并能达到辅助膝关节跨步所需的角度，为右腿膝关节提供跨步弯曲的转矩。优选地，所述柔性执行机构通过柔性固定带固定在使用者的大腿、膝关节和小腿相应部位，从而提供膝关节弯曲和伸展的转矩。优选地，所述气泵系统包括气泵A和气泵B；所述柔性执行机构包括适于穿戴于左腿的第一柔性执行机构和适于穿戴于右腿的第二柔性执行机构；所述气泵A能够通过所述气管组件为所述第一柔性执行机构提供正压，以及为所述第二柔性执行机构提供负压；所述气泵B能够通过所述气管组件为所述第二柔性执行机构提供正压，以及为所述第一柔性执行机构提供负压；所述控制系统部件根据所述足底薄膜压力传感器组对所述气泵A和气泵B进行控制，使得在左脚处于腾空挪动的摆动期、右脚处于支撑期时，所述气泵B工作、所述气泵A不工作；在右脚处于腾空挪动的摆动期、左脚处于支撑期时，所述气泵A工作、所述气泵B不工作。本专利技术优异的效果是：相比现有技术，本专利技术可穿戴型膝关节助力机器人以微型直流气泵作为膝关节柔性执行机构提供气动动力源，作用于膝关节的左腿柔性执行机构和右腿柔性执行机构采用气囊增压与扭力弹簧蓄能相结合柔性作用方式，基于足底薄膜压力传感器组对步态参数的实时反馈，控制系统部件对机器人柔性执行机构进行实时控制，增强了机器人执行动作与人自然步态的协调性，提高了机器人的执行效率和人机交互的效率。相比现有技术，本专利技术可穿戴型膝关节助力机器人执行部分采用气囊增压与扭力弹簧蓄能相结合柔性作用方式，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。并且，气囊增压与扭力弹簧蓄能相结合柔性作用方式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。本专利技术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是本专利技术所述可穿戴型膝关节助力机器人的组成图；图2是本专利技术所述的控制系统部件组成图；图3是本专利技术所述的左腿柔性执行机构外形图(伸展状态)。图4是本专利技术所述的左腿柔性执行机构爆炸图(组成图，伸展状态)。图5是本专利技术所述的右腿柔性执行机构外形图(弯曲状态)。图6是本专利技术所述的右腿柔性执行机构爆炸图(组成图，弯曲状态)。图7是本专利技术所述的膝关节助力机器人一个步态周期内左脚处于腾空挪动的摆动期，右脚处于支撑期的工作原理图；图8是本专利技术所述的膝关节助力机器人一个步态周期内左脚处于支撑期，右脚处于腾空挪动的摆动期的工作原理图；其中各附图标记含义如下：1.控制系统部件；2.左腿柔性执行机构；3.右腿柔性执行机构；4.左脚足底薄膜压力传感器组；5.右脚足底薄膜压力传感器组。101.本体；102.上盖；103.微型气泵(A)；104.微型气泵(B)；105.电气控制系统；106.直流电池组件；107.柔性固定带；108.气泵固定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可穿戴型膝关节助力机器人，包括：控制系统部件(1)，包括气泵系统(103，104)、电气控制系统(105)、电池组件(106)，以及气管组件(111，112，113，114)；柔性执行机构(2，3)，其适合穿戴于使用者左腿和/或右腿的膝关节，能够为左腿和/或右腿的膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩；足底薄膜压力传感器组(4，5)，其适合穿戴于所述使用者的左脚和/或右脚，用于识别左脚和/或右脚的步态周期，包括脚与地面接触的支撑期和腾空挪动的摆动期，为所述控制系统部件(1)中的电气控制系统(105)提供步态参数；所述电气控制系统(105)根据所述步态参数控制所述气泵系统(103，104)工作。

【技术特征摘要】
1.一种可穿戴型膝关节助力机器人，包括：控制系统部件(1)，包括气泵系统(103，104)、电气控制系统(105)、电池组件(106)，以及气管组件(111，112，113，114)；柔性执行机构(2，3)，其适合穿戴于使用者左腿和/或右腿的膝关节，能够为左腿和/或右腿的膝关节提供辅助伸展和弯曲的转矩；足底薄膜压力传感器组(4，5)，其适合穿戴于所述使用者的左脚和/或右脚，用于识别左脚和/或右脚的步态周期，包括脚与地面接触的支撑期和腾空挪动的摆动期，为所述控制系统部件(1)中的电气控制系统(105)提供步态参数；所述电气控制系统(105)根据所述步态参数控制所述气泵系统(103，104)工作。2.根据权利要求1所述的可穿戴型膝关节助力机器人，其特征在于，所述柔性执行机构(2)包括大腿固定板(201，301)、小腿固定板(202，302)、气囊(203，303)、转轴(204，304)、扭力弹簧(205，305)、弹簧固定压板(206，306)、弹簧固定件(207，307)；所述的大腿固定板(201，301)、小腿固定板(202，302)采用碳纤维材料、镁铝合金金或硬铝合金材料制成。3.根据权利要求2所述的可穿戴型膝关节助力机器人，其特征在于，所述的柔性执行机构(2，3)的气囊(203，303)包括内部的橡胶内胆和和外部的帆布保护套，橡胶内胆在帆布保护套的内部；所述的气囊(203，303)为横截面为四边形的柱型结构，随着输入压力增大，所述气囊(203，303)由无压力、无固定角度状态变成180°的固定角度，从而辅助膝关节绷直。4.根据权利要求3所述的可穿戴型膝关节助力机器人，其特征在于，所述帆布保护套其中两个邻边留有帆布缝合面，魔术贴固定带(210，310)缝制在所述帆布缝合面；所述魔术贴固定带(210，310)将所述气囊(203，303)固定在所述大腿固定板(201，301)和小腿固定板(202，302)上，气囊(203)气压作用力将直接传导到大腿固定板(201，301)和小腿固定板(202，302)上。5.根据权利要求4所述的可穿戴型膝关节助力机器人，其特征在于，所述足底薄膜压力传感器组(4，5)实时采集和反馈的步态参数信息，所述电气控制系统(105)控制气泵系统工作，并对所述气泵系统进、出流量进行实时的闭环控制，按照步态周期为所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张连存，黄强，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11