一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人，包括气动控制系统、左腿髋关节柔性助力组件，右腿髋关节柔性助力组件，左腿膝关节柔性助力组件以及右腿膝关节柔性助力组件等。左腿髋关节柔性助力组件和右腿髋关节柔性助力组件采用负压收缩弹性体驱动器作为驱动元件，其在负压作用时形成线性位移和弹性作用力；左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件采用负压旋转弹性体作为驱动元件，其在负压作用下产生旋转的转矩。气动控制系统对检测与信息发送模块采集和反馈的用户步态数据实时处理，对负压收缩弹性体驱动器和负压旋转弹性体的负压加载和卸载过程进行实时控制，在行走过程中按照步态规律为髋关节、膝关节提供助力。

【技术实现步骤摘要】
一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人
本专利技术属于柔性外骨骼机器人、下肢外骨骼
，特别涉及一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人。
技术介绍
用工程科学方法修复和增强人体运动能力，是机器人学等交叉学科基础研究的重要科学目标之一，下肢机器人外骨骼是开展这一重要科学研究的载体，承载了智慧装备设计与制造的科学内涵，已成为当今美国和欧盟等发达国家优先发展的前沿研究领域。目前国内外比较著名的下肢外骨骼包括：日本筑波大学山海嘉之(YoshiyukiSanki)教授和他的研究小组共同研究的HAL系列混合助力腿机器人外骨骼、日本东北大学(TohokuUniversity)开发的可穿戴助力装置WearableWalkingHelper-KH2，日本名古屋大学为截瘫患者开发出一款可穿戴型助力装置WPAL(WearablePower-AssistLocomotor)、瑞士苏黎世联邦工业大学与Hocoma公司合作研制的四自由度外骨骼式步态康复训练机器人Lokomat、以色列的埃尔格医学技术公司研发的Rewalk下肢外骨骼机器人、新加坡南洋理工大学的罗锦发教授研发的下肢外骨骼(NTULEELowerExtremityExoskeleton)、美国加州大学伯克利分校H.Kazerooni博士领导的研究小组设计的下肢机器人外骨骼BLEEX、美国萨克斯公司研制的XOS-2外骨骼、洛克希德·马丁公司在此基础上又推出了人体负重外骨骼HULC外骨骼等。国内科研院所中，大连理工大学、中国科技大学、哈尔滨工程大学、华东科技大学、浙江大学、上海交通大学、东北大学、中科院合肥智能机械研究所等研究机构在外骨骼助行机器人方面取得重要进展。我国在下肢机器人外骨骼研究起步较晚，虽然近年来发展十分迅速，但相关研究水平与国外相比仍然存在较大差距。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、保护以及增强运动能力。目前国内外下肢外骨骼主要存在以下不足：(1)部件较多，自重较重目前大多数下肢外骨骼的机械部件较多，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。另外，气动力或液动力能源又因为体积过大等原因而不太适用。(2)舒适性与便利性欠佳目前下肢外骨骼的开发集中于功能的实现上，而在穿戴的舒适性与便利性方面的设计还欠佳，不能自如快速的穿脱。(3)缺乏心理认同除少数下肢外骨骼机器人外，此类机器人往往忽略了外观造型上的设计，导致从外表看过去像是一个“钢铁侠”，而不像是一个穿戴在人身上的辅助器械。辅助器械本质上要在心理与生理上给使用者提供帮助的，若是穿戴一个庞杂的机械机构势必会造成用户心理上的不认同。(4)存在机械惯性危险以刚性框架铠甲机械结构形式的下肢外骨骼在制动时会产生机械惯性，可能会造成惯性伤害，不适合需要部分行走辅助的弱行走能力的老年人群体以及膝关节损伤、膝关节炎患者。
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，提供了一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人，包括气动控制系统、左腿髋关节柔性助力组件，右腿髋关节柔性助力组件，左腿膝关节柔性助力组件以及右腿膝关节柔性助力组件等。气动控制系统对检测与信息发送模块采集和反馈的用户步态数据实时处理，对左腿髋关节柔性助力组件和右腿髋关节柔性助力组件中的负压收缩弹性体驱动器，以及左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件中的负压旋转弹性体负压流量进行实时控制，在行走过程中按照步态规律为用户的髋关节、膝关节提供辅助转矩，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：一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人，包括：左腿髋关节柔性助力组件，提供左腿大腿摆动的助力，辅助左腿髋关节运动；右腿髋关节柔性助力组件，提供右腿大腿摆动的助力，辅助右腿髋关节运动；左腿膝关节柔性助力组件，其穿戴在左腿膝关节，辅助左腿膝关节伸展和弯曲运动；右腿膝关节柔性助力组件，其穿戴在右腿膝关节，辅助右腿膝关节伸展和弯曲运动；气动控制系统，是所述柔性外骨骼机器人控制中枢，负责所述柔性外骨骼机器人的数据处理、驱动控制以及负压输出控制；其中，所述左腿髋关节柔性助力组件和右腿髋关节柔性助力组件分别包括负压收缩弹性体驱动器；所述左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件分别包括负压旋转弹性体驱动器；所述气动控制系统能够按照步态规律适时地为所述左腿髋关节柔性助力组件、右腿髋关节柔性助力组件、左腿膝关节柔性助力组件，以及右腿膝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和膝关节运动的助力。优选地，所述左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件分别进一步包括检测与信息发送模块、弹性护套、大腿固定带、弹性布、气管G，以及气管H；所述检测与信息发送模块能够对双腿的小腿和大腿相对地面的摆动角度和角速度变化参数进行实时获取，并反馈给所述气动控制系统中的信息接收模块，为所述气动控制系统提供用户步态数据；所述负压旋转弹性体驱动器是所述左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件助力执行机构，其能够接受负压的加载和卸载，为膝关节提供伸展和弯曲的转矩。优选地，所述负压旋转弹性体驱动器包括负压旋转弹性体、大腿支撑板、小腿支撑板、转轴、压片以及紧固件；所述大腿支撑板、小腿支撑板通过转轴连接形成0°-180°范围内的转动副；所述负压旋转弹性体通过所述紧固件固定在所述大腿支撑板和小腿支撑板上，在负压驱动下，所述负压旋转弹性体能够产生旋转转矩，并通过所述大腿支撑板和小腿支撑板为膝关节提供旋转弯曲的转矩；负压消失后产生伸展的回复力，并通过所述大腿支撑板和小腿支撑板为膝关节提供伸展的转矩；优选地，所述负压旋转弹性体驱动器通过紧固件和压片固定在弹性护套的左侧，所述右腿膝关节柔性助力组件中的负压旋转弹性体驱动器通过紧固件和压片固定在弹性护套的右侧，外部由弹性布包裹，弹性布包裹通过热合或者缝合在所述弹性护套上；优选地，所述大腿支撑板、小腿支撑板采用合成树脂材料或者碳纤维非金属材料。优选地，负压旋转弹性体在负压作用下能够旋转，产生旋转的转矩；在负压卸载过程中能够产生与负压作用时的相反方向的转矩；所述负压旋转弹性体主体为半圆柱体结构，在180°角度范围做等分，分成多个组，每组由沿所述负压旋转弹性体主体径向分布的3个底面为等腰梯形的四棱柱气室单元组成；所有四棱柱气室单元等腰梯形底面两个腰所成的夹角相等，且等腰梯形的高相等；每个四棱柱气室单元包括两个平行气室侧壁和两个等长但不平行的等腰气室侧壁；两个平行的气室侧壁壁厚相等，另外两个等腰气室侧壁厚相等，且两个平行的气室侧壁壁厚不小于另外两个等腰气室侧壁壁厚的4倍；每个气室单元与沿周向相邻的气室单元交错排列，平行的气室侧壁位于沿周向相邻气室等腰侧壁沿径向的几何中点；相邻气室单元在等腰气室侧壁的上有通孔，形成负压旋转弹性体内部的气流通道，实现对整个负压旋转弹性体的负压输入或者卸载；所述负压旋转弹性体在负压作用下，气室单元内部负压增大形成真空，所述气室单元中两组平行的气室侧壁不变形、而两组等腰气室侧壁变形，两组平行的气室侧壁会楔入到相邻气室单元中，由此所述负压旋转弹性体在负压作用下形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人，包括：左腿髋关节柔性助力组件，提供左腿大腿摆动的助力，辅助左腿髋关节运动；右腿髋关节柔性助力组件，提供右腿大腿摆动的助力，辅助右腿髋关节运动；左腿膝关节柔性助力组件，其穿戴在左腿膝关节，辅助左腿膝关节伸展和弯曲运动；右腿膝关节柔性助力组件，其穿戴在右腿膝关节，辅助右腿膝关节伸展和弯曲运动；气动控制系统，其负责所述柔性外骨骼机器人的数据处理、驱动控制，以及负压输出控制；其特征在于，所述左腿髋关节柔性助力组件和右腿髋关节柔性助力组件分别包括负压收缩弹性体驱动器；所述左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件分别包括负压旋转弹性体驱动器；所述气动控制系统能够按照步态规律适时地为所述左腿髋关节柔性助力组件、右腿髋关节柔性助力组件、左腿膝关节柔性助力组件，以及右腿膝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和膝关节运动的助力。

【技术特征摘要】
1.一种辅助髋关节和膝关节运动的柔性外骨骼机器人，包括：左腿髋关节柔性助力组件，提供左腿大腿摆动的助力，辅助左腿髋关节运动；右腿髋关节柔性助力组件，提供右腿大腿摆动的助力，辅助右腿髋关节运动；左腿膝关节柔性助力组件，其穿戴在左腿膝关节，辅助左腿膝关节伸展和弯曲运动；右腿膝关节柔性助力组件，其穿戴在右腿膝关节，辅助右腿膝关节伸展和弯曲运动；气动控制系统，其负责所述柔性外骨骼机器人的数据处理、驱动控制，以及负压输出控制；其特征在于，所述左腿髋关节柔性助力组件和右腿髋关节柔性助力组件分别包括负压收缩弹性体驱动器；所述左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件分别包括负压旋转弹性体驱动器；所述气动控制系统能够按照步态规律适时地为所述左腿髋关节柔性助力组件、右腿髋关节柔性助力组件、左腿膝关节柔性助力组件，以及右腿膝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和膝关节运动的助力。2.根据权利要求1所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，所述左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件分别进一步包括检测与信息发送模块、弹性护套、大腿固定带、弹性布、气管G，以及气管H；所述检测与信息发送模块能够对双腿的小腿和大腿相对地面的摆动角度和角速度变化参数进行实时获取，并反馈给所述气动控制系统中的信息接收模块，为所述气动控制系统提供用户步态数据；所述负压旋转弹性体驱动器是所述左腿膝关节柔性助力组件和右腿膝关节柔性助力组件助力执行机构，其能够接受负压的加载和卸载，为膝关节提供伸展和弯曲的转矩。3.根据权利要求1或2所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，所述负压旋转弹性体驱动器包括负压旋转弹性体、大腿支撑板、小腿支撑板、转轴、压片以及紧固件；所述大腿支撑板、小腿支撑板通过转轴连接形成0°-180°范围内的转动副；所述负压旋转弹性体通过所述紧固件固定在所述大腿支撑板和小腿支撑板上，在负压驱动下，所述负压旋转弹性体能够产生旋转转矩，并通过所述大腿支撑板和小腿支撑板为膝关节提供旋转弯曲的转矩；负压消失后产生伸展的回复力，并通过所述大腿支撑板和小腿支撑板为膝关节提供伸展的转矩；优选地，所述负压旋转弹性体驱动器通过紧固件和压片固定在弹性护套的左侧，所述右腿膝关节柔性助力组件中的负压旋转弹性体驱动器通过紧固件和压片固定在弹性护套的右侧，外部由弹性布包裹，弹性布包裹通过热合或者缝合在所述弹性护套上；优选地，所述大腿支撑板、小腿支撑板采用合成树脂材料或者碳纤维非金属材料。4.根据权利要求1或2所述的柔性外骨骼机器人，其特征在于，负压旋转弹性体在负压作用下能够旋转，产生旋转的转矩；在负压卸载过程中能够产生与负压作用时的相反方向的转矩；所述负压旋转弹性体主体为半圆柱体结构，在180°角度范围做等分，分成多个组，每组由沿所述负压旋转弹性体主体径向分布的3个底面为等腰梯形的四棱柱气室单元组成；所有四棱柱气室单元等腰梯形底面两个腰所成的夹角相等，且等腰梯形的高相等；每个四棱柱气室单元包括两个平行气室侧壁和两个等长但不平行的等腰气室侧壁；两个平行的气室侧壁壁厚相等，另外两个等腰气室侧壁厚相等，且两个平行的气室侧壁壁厚不小于另外两个等腰气室侧壁壁厚的4倍；每个气室单元与沿周向相邻的气室单元交错排列，平行的气室侧壁位于沿周向相邻气室等腰侧壁沿径向的几何中点；相邻气室单元在等腰气室侧壁的上有通孔，形成负压旋转弹性体内部的气流通道，实现对整个负压旋转弹性体的负压输入或者卸载；所述负压旋转弹性体在负压作用下，气室单元内部负压增大形成真空，所述气室单元中两组平行的气室侧壁不变形、而两组等腰气室侧壁变形，两组平行的气室侧壁会楔入到相邻气室单元中，由此所述负压旋转弹性体在负压作用下形成旋转运动，产生弯曲的转矩；当负压消失后，气室单元内部由负压状态变成和外界大气压相同，等腰气室侧壁恢复原状产生回复作用力，此过程中形成与负压作用时反方向的旋转运动，形成辅助伸展的转矩；优选地，所述负压旋转弹性体最大旋转角度可通过选择不同的等分角度形成分组，并且可以通过每组不同的气室单元个数实现不同的最大旋转角度和转矩；另外不同硬度的硅胶材料或者橡胶材料制成负压旋转弹性体能够实现不同的最大旋转...

【专利技术属性】
技术研发人员：张连存，王志恒，蔡康健，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