一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼制造技术

本实用新型专利技术公开了一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼，包括外骨骼控制器以及左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器等。柔性膝关节外骨骼主要以一个微型真空负压泵为气压动力源，DSP嵌入式控制系统对传感系统检测到的肌肉力、膝关节角度以及人机交互力等数据进行实时处理并对人机协同状态进行估计，实时控制微型真空负压泵的负压流量和气路的切换，基于人机协同状态对左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器上相应的负压收缩弹性体驱动器进行压力控制，在行走过程中实时为左、右腿提供辅助膝关节弯曲和伸展的转矩，达到为膝关节运动损伤以及弱行走能力的老年群体提供柔性行走辅助的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼
本专利技术属于柔性外骨骼机器人、下肢外骨骼以及柔性执行器
，特别涉及一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼。
技术介绍
1992年，世界卫生组织指出：步行是世界上最好的运动，对健康有特殊益处，因为人类花了600万年，从猿到人，整个人的身体结构是步行进化的结果，所以从人体解剖学和生理结构上看最适合步行。人在行走过程中，髋关节、膝关节和踝关节承受着的重量是身体总重量的3～5倍，髋关节和膝关节和踝关节是极易受伤的两个关节。据北京大学医学部对2500人的调查表明，六十岁以上老年膝关节炎患病率为27.6％，而髋关节炎患病率老年人为0.8％，显然，膝关节炎症和损伤比例更高。据不完全统计，世界上有超过5亿膝关节损伤人群，日常行走会加重膝关节损伤人群的膝关节受力，加速膝关节损伤，如果不进行日常行走锻炼，肌肉会因废用而萎缩。膝关节损伤人群本身具有一定的行走能力，适当的行走助力可以减少膝关节受力，增强腿部肌肉力量，保持膝关节的活动度，对膝关节起到保护作用，有助于提高他们的生活质量。目前，传统的下肢外骨骼主要以刚性外骨骼为主，用于增强士兵负重能力，以及为使瘫痪患者提供支撑，用刚性机构带动病患下肢行走。传统的下肢外骨骼装备存在穿戴不方便、笨重、工作时间短、售价高、存在机械惯性危险以及缺乏心里认同等缺点。综上所述，传统的下肢助行外骨骼不适合只需要部分行走辅助的弱行走能力的膝关节损伤人群。
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，提供了一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼。柔性膝关节外骨骼主要以一个微型真空负压泵为气压动力源，根据惯性测量单元组件(IMU)、力传感器及表面肌电传感器(sEMG)构成所述柔性膝关节外骨骼的传感系统对肌肉力、膝关节角度以及人机交互力等参数进行采集，DSP嵌入式控制系统对传感系统检测数据进行实时处理并对人机协同状态进行估计，实时控制微型真空负压泵的负压流量和气路的切换，基于人机协同状态对左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器上相应的负压收缩弹性体驱动器进行压力控制，在行走过程中实时为左、右腿提供辅助膝关节弯曲和伸展的转矩，达到为膝关节运动损伤以及弱行走能力的老年群体提供柔性行走辅助的目的。为了实现上述目的本专利技术采取的技术方案是：一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼，包括：外骨骼控制器，包括控制部和气动动力输出部；左腿膝关节柔性执行器，其穿戴在左腿膝关节，能够助力左腿膝关节运动；右腿膝关节柔性执行器，其穿戴在右腿膝关节，能够助力右腿膝关节运动；其中，所述左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器包括气动驱动机构，以及传感系统；所述气动驱动机构能够接受所述外骨骼控制器输出的动力，向膝关节提供转矩；所述传感系统能够对人机交互状态数据进行检测；所述控制部能够对所述传感系统所检测的数据进行处理，并控制对所述左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器的动力输出。优选地，所述外骨骼控制器包括：控制器本体、端盖、微型真空负压泵、安装板、T型三通转接头、真空电磁阀A、真空电磁阀B、驱动器、DSP嵌入式控制系统、锂电池组、无线接收与发射模块、开关、右气管R、左气管L、散热块A、散热块B以及柔性腰带。优选地，所述左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器的每一个包括：膝关节弹性护套、柔性转矩执行组件A、柔性转矩执行组件B、Y型三通转接头、气管组件、惯性测量单元(IMU)组件、力传感器、表面肌电传感器(sEMG)以及弹性布。优选地，所述柔性转矩执行组件A包括：大腿左侧支架、小腿左侧支架、负压收缩弹性体驱动器、转轴、连接件、螺钉、紧固件、压片组件、乳胶皮筋以及气管连接端；所述大腿左侧支架、小腿左侧支架以及负压收缩弹性体驱动器构成的两边长度固定、第三边长度可变的三角形结构形式，通过第三边长度的变化实现另外两个固定边的相对转动；所述柔性转矩执行组件A采用弹性布缝合在膝关节弹性护套左侧膝关节相对应的位置。优选地，所述柔性转矩执行组件B包括：大腿右侧支架、小腿右侧支架、负压收缩弹性体驱动器、转轴、连接件、螺钉、紧固件、压片组件、乳胶皮筋以及气管连接端；所述大腿右侧支架、小腿右侧支架以及负压收缩弹性体驱动器构成的两边长度固定、第三边长度可变的三角形结构形式，通过第三边长度的变化实现另外两个固定边的相对转动；所述柔性转矩执行组件B采用弹性布缝合在膝关节弹性护套右侧膝关节相对应的位置。优选地，所述左腿膝关节柔性执行器、右腿膝关节柔性执行器是通过所述柔性转矩执行组件A和柔性转矩执行组件B同时作用来实现为膝关节提供辅助转矩的。优选地，当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，在垂直于线性位移的方向上尺寸基本保持不变；相反的，当负压收缩弹性体驱动器负压逐渐消失后，自身由收缩状态恢复到自身自然状态的过程中，具有弹性作用力。优选地，当负压收缩弹性体驱动器负压作用逐渐消失过程中，大腿两侧支架与小腿两侧支架端面上的乳胶皮筋由于不再受外力作用，与负压弹性体共同作用，驱动大腿两侧支架与小腿两侧支架相对转动，产生伸展的转矩，从而实现所述柔性转矩执行组件A和所述柔性转矩执行组件B为膝关节提供辅助伸展转矩的功用。优选地，所述负压收缩弹性体驱动器包括基本对称的上半部分和下半部分组成，其中上半部分有与外界的通气孔，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正压输入。所述负压收缩弹性体驱动器上半部分和下半部分内部分别包括六棱柱结构的气室，每个气室留有凹槽，形成负压收缩弹性体驱动器的气流通道；单个气室侧面的六个气室壁厚度有差异，其中第二气室壁的厚度是第一气室壁的三倍。上下相邻两个气室的四个相邻第一气室壁留有凹槽，形成负压收缩弹性体驱动器的气流通道，另外四个不相邻的第一气室壁上没有凹槽，且第二气室壁上没有凹槽，保证气密性。当气室为负压时，所述第一气室壁受负压作用力变形，并沿X方向收缩，形成水平位移；所述第二气室壁不变形，Y方向没有收缩位移，从而当负压作用时，负压收缩弹性体驱动器可形成水平线性位移。当外界负压作用消失时，所述第一气室壁受负压作用力消失，并沿X轴反方向伸展，逐渐恢复到不受力的初始状态，在此过程中形成水平位移，过程可控；所述第二气室壁不变形，Y方向没有收缩或者伸展位移。优选地，所述惯性测量单元(IMU)组件是检测膝关节角度和/或角速度变化的传感器；所述表面肌电传感器(sEMG)是检测肌肉力和关节力矩的传感器；所述力传感器是采集所述柔性膝关节外骨骼与人腿之间的人机交互力的传感器；所述惯性测量单元(IMU)组件、表面肌电传感器(sEMG)和力传感器组成所述柔性膝关节外骨骼的传感系统；所述无线接收与发射模块是DSP嵌入式控制系统与所述传感系统之间的通讯模块；所述DSP嵌入式控制系统对所述惯性测量单元模块采集的左右腿膝关节角度和/或角速度变化的参数，进行实时处理，并对力传感器以及表面肌电传感器(sEMG)检测的肌肉力、关节力矩以及人机交互力进行估计和预测，并实时控制微型真空负压泵的输出流量以及所述真空电磁阀A、真空电磁阀B进行气路切换，基于人机协同状态对左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器上的柔性转矩执行组件A、柔性转矩执行组件B中的负压收缩弹性体驱动器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼，包括外骨骼控制器、左腿膝关节柔性执行器、右腿膝关节柔性执行器；其特征在于，所述外骨骼控制器，包括控制部和气动动力输出部；所述左腿膝关节柔性执行器，其穿戴在左腿膝关节，能够助力左腿膝关节运动；所述右腿膝关节柔性执行器，其穿戴在右腿膝关节，能够助力右腿膝关节运动；其中，所述左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器包括气动驱动机构，以及传感系统；所述气动驱动机构能够接受所述外骨骼控制器输出的动力，向膝关节提供转矩；所述传感系统能够对人机交互状态数据进行检测；所述控制部能够对所述传感系统所检测的数据进行处理，并控制对所述左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器的动力输出。

【技术特征摘要】
1.一种负压收缩弹性体驱动的柔性膝关节外骨骼，包括外骨骼控制器、左腿膝关节柔性执行器、右腿膝关节柔性执行器；其特征在于，所述外骨骼控制器，包括控制部和气动动力输出部；所述左腿膝关节柔性执行器，其穿戴在左腿膝关节，能够助力左腿膝关节运动；所述右腿膝关节柔性执行器，其穿戴在右腿膝关节，能够助力右腿膝关节运动；其中，所述左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器包括气动驱动机构，以及传感系统；所述气动驱动机构能够接受所述外骨骼控制器输出的动力，向膝关节提供转矩；所述传感系统能够对人机交互状态数据进行检测；所述控制部能够对所述传感系统所检测的数据进行处理，并控制对所述左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器的动力输出。2.根据权利要求1所述的柔性膝关节外骨骼，其特征在于，所述外骨骼控制器包括：控制器本体、端盖、微型真空负压泵、安装板、T型三通转接头、真空电磁阀A、真空电磁阀B、驱动器、DSP嵌入式控制系统、锂电池组、无线接收与发射模块、开关、右气管R、左气管L、散热块A、散热块B以及柔性腰带。3.根据权利要求2所述的柔性膝关节外骨骼，其特征在于，所述左腿膝关节柔性执行器和右腿膝关节柔性执行器的每一个包括：膝关节弹性护套、柔性转矩执行组件A、柔性转矩执行组件B、Y型三通转接头、气管组件、惯性测量单元(IMU)组件、力传感器、表面肌电传感器(sEMG)以及弹性布。4.根据权利要求3所述的柔性膝关节外骨骼，其特征在于，所述柔性转矩执行组件A包括：大腿左侧支架、小腿左侧支架、负压收缩弹性体驱动器、转轴、连接件、螺钉、紧固件、压片组件、乳胶皮筋以及气管连接端；所述大腿左侧支架、小腿左侧支架以及负压收缩弹性体驱动器构成的两边长度固定、第三边长度可变的三角形结构形式，通过第三边长度的变化实现另外两个固定边的相对转动；所述柔性转矩执行组件A采用弹性布缝合在膝关节弹性护套左侧膝关节相对应的位置。5.根据权利要求3所述的柔性膝关节外骨骼，其特征在于，所述柔性转矩执行组件B包括：大腿右侧支架、小腿右侧支架、负压收缩弹性体驱动器、转轴、连接件、螺钉、紧固件、压片组件、乳胶皮筋以及气管连接端；所述大腿右侧支架、小腿右侧支架以及负压收缩弹性体驱动器构成的两边长度固定、第三边长度可变的三角形结构形式，通过第三边长度的变化实现另外两个固定边的相对转动；所述柔性转矩执行组件B采用弹性布缝合在膝关节弹性护套右侧膝关节相对应的位置。6.根据权利要求4或5所述的柔性膝关节外骨骼，其特征在于，所述左腿膝关节柔性执行器、右腿膝关节柔性执行器是通过所述柔性转矩执行组件A和柔性转矩执行组件B同时作用来实现为膝关节提供辅助转矩的。7.根据权利要求4或5所述的柔性膝关节外骨骼，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张连存，黄强，王文康，王志恒，蔡康健，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：新型
国别省市：北京,11