一种柔性髋关节助力外骨骼制造技术

本发明专利技术公开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作为髋关节的助力执行器，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助力，达到助行的目的。

A flexible hip joint assisted exoskeleton

The invention discloses a flexible hip joint assisting exoskeleton, which comprises a negative pressure control system, a hip joint flexible assisting component and an inertial measurement unit component, etc. The hip joint flexible booster component uses the negative pressure contraction elastomer actuator as the booster actuator of the hip joint. The negative pressure contraction elastomer actuator can accept the negative pressure input and unloading of the negative pressure control system. When there is negative pressure input, the linear displacement becomes shorter and has tension; when there is negative pressure unloading, it restores itself from the contraction state to the tension state. In its natural state, it has reverse linear displacement and restoring force. Negative pressure control system real-time processing user gait data collected and fed back by inertial measurement unit module, real-time control of negative pressure input and unloading process of negative pressure contraction elastomer actuator in hip joint flexible booster module, and provide boost to user's hip joint according to gait law during walking process, so as to achieve the purpose of walking assistance.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性髋关节助力外骨骼
本专利技术属于柔性髋关节助力外骨骼、下肢外骨骼
，特别涉及一种柔性髋关节助力外骨骼。
技术介绍
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，本专利技术采取的技术方案是：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。本专利技术优异的效果是：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，本专利技术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，此外本专利技术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是本专利技术柔性髋关节助力外骨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其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；能够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，其能够对大腿的运动参数进行实时获取，并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。

【技术特征摘要】
1.一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，其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；能够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，其能够对大腿的运动参数进行实时获取，并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。2.根据权利要求1所述的柔性髋关节助力外骨骼，其特征在于，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；优选地，所述负压控制系统通过腰部固定带固定在用户的腰部。3.根据权利要求2所述的柔性髋关节助力外骨骼，其特征在于，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。4.根据权利要求2所述的柔性髋关节助力外骨骼，其特征在于，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。5.根据权利要求2所述的柔性髋关节助力外骨骼，其特征在于，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、安装板及保护盖的安装载体；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。6.根据权利要求1所述的柔性髋关节助力外骨骼，其特征在于，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；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张连存，蔡康健，王志恒，王文康，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