一种气动肌肉驱动的膝关节助力Exosuit装置

技术领域

本发明涉及一种气动肌肉驱动的膝关节助力Exosuit装置，属于气动人工肌肉助力装置、柔性助力服、可穿戴助力装备技术领域。

背景技术

在老年人群中，下肢无力的比例较高，行动不便极大地影响了他们的安全系数及生活质量。此外，交通事故、工伤情况等意外伤害导致的下肢运动功能障碍患者也在不断增加，运动功能障碍问题给患者的生命健康构成巨大威胁，也给现代家庭和社会经济造成巨大损失。同时，在人体增强领域，用于降低人体下肢运动消耗的途径也在不断摸索，除了大型交通工具和机械工具等，人们也在探索一种可穿戴的助力工具。

目前穿戴式助力装备被广泛应用于康复、助力之中，通过额外提供的能量或者被动式的机械结构，使穿戴者在穿戴过程中的活动省力甚至带动其进行运动，在降低能耗、延缓疲劳、提高人体速度等方面都具有不俗的表现。

穿戴式助力装备正在经历一种颠覆性的转变，从20世纪80年代早期的刚性机器到现在轻便的柔性机器人服(Exosuit系统)，几乎与我们的日常穿着没有区别。传统的外骨骼机器人系统较为复杂，并且存在诸多不足。已有的外骨骼多由刚性构件组成，除了存在结构笨重、体积庞大、能耗高、便携性差等问题之外，其驱动系统性能也难以满足人机交互过程的高效性、准确性和柔顺性要求。而随着外骨骼不断融合机械电子、材料科学、人工智能等多种交叉学科的研究成果，针对目前外骨骼机器人存在的上述问题，综合运用现代建模理论、生物力学分析、系统优化设计等研究理论与技术，开发出兼具穿戴美观舒适、结构精巧轻质、驱动安全柔顺、控制协调准确等优点的柔性可穿戴助力机器人成为近来的热点。

为了满足柔性可穿戴助力机器人在提供动力支持的同时，兼具柔顺性与安全性，气动驱动器应运而生。由于空气的可压缩特性，气动执行器具有天然的柔顺特性，而气动人工肌肉在其中尤为突出。气动人工肌肉充气后产生的拉力是普通气缸的10倍，具有低价格、快速响应时间、高功率/质量比和高功率/体积比等优点。采用气动人工肌肉驱动的穿戴式助力装置可将其固有的柔顺性融入到系统中，能够吸收运动冲击，提高机器人系统和物理世界的交互安全性。但是批量化的气动肌肉生产，使得市面上的气动肌肉为方便固定，在端部搭载了大量的金属元素，整体重量较大且较为僵硬，难以进行形变且在狭小空间内的适应性较差。

综上所述，如何设计新式的轻型气动人工肌肉，以及如何设计柔性材料的布局以提升助力服的灵活性与助力效率是柔性膝关节助力Exosuit系统的研究关键。

发明内容

本发明的目的是针对现有膝关节助力套装存在的结构复杂、重量大、刚度强等难题，提供了一种膝关节助力Exosuit装置设计方案。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种气动肌肉驱动的膝关节助力Exosuit装置，包括：

外接独立控制系统，其能够控制气动肌肉的内部气压，以及获取膝关节角度的数据进行处理；

腰腿紧固套装，其用于穿戴在腰部与大腿部，能够根据穿戴者身材调节松紧度，贴合人体并提供装置的固定力；

小腿紧固套装，其用于穿戴在小腿部，采用腿足一体式的设计可保证小腿紧固套装在受到绑带传动系统牵引力时不会产生位移，以确保可以作为受力组件的固定基座；

膝关节转向紧固套装，其用于穿戴在膝关节部，整体由柔性织物制作，在不影响膝关节活动的前提下固定传导力绑带，并改变牵引力的传递方向；

自制并联多丝气动人工肌肉，采用六根气动肌原纤维组合固定形成的新型多丝气动肌肉，制作完成的气动肌肉质量仅35g，最厚处3.5cm。多并联气动人工肌肉的最大收缩力约250N，最大收缩率达27％。通过性能测试得到并联多丝气动肌肉具有良好的收缩性能以及较小的位移延迟，与传统McKibben型气动肌肉相比有更大的收缩率并且更加轻便。

优选地，膝关节助力Exosuit装置整体采用柔性材质进行制作，采用气动人工肌肉作为驱动单元，模仿人体自身肌肉的运动方式，通过内部气压的升高或降低来控制肌肉的收缩或伸展。

优选地，所述膝关节助力Exosuit装置的传动系统整体由绑带构成，涤棉材质使其较鲍登线传动具有更强的柔性和安全性。

优选地，所述自制并联多丝气动人工肌肉仿照人类肌肉纤维束，将六根细长自制肌原纤维并行排列，采用2行*3列的紧凑型布局增加固定端的接触面积，缩小整体体积以提高肌肉灵活性。其中单根的自制肌肉纤维与传统McKibben肌肉也有所区别，传统McKibben肌肉为方便固定，在端部搭载了大量的金属元素，整体重量较大且较为僵硬。而自制肌肉纤维束是六根肌原纤维并行输出，所以对于单根肌原纤维的输出力上没有过多需求，可以精简固定端结构，降低其中金属比例。

优选地，所述自制并联多丝气动人工肌肉，将一端进行封闭固定，另一端将每根气动肌原纤维引出一个导气口，可以通过端部连接装置调用不同的气动肌原纤维，改变驱动压力或对特定的气动肌原纤维加压来产生不同的输出力。

所述气动肌原纤维由乳胶软管气囊和尼龙编制网以及单耳无极卡箍共同组成，内芯的弹性气囊采用规定长度的乳胶软管进行制作。先将乳胶软管的一端由卡箍完全封闭，再向另一端插入一根硬质PVC气管用作导气口，可以得到一个简易轻便的气囊。外部收束编制网采用尼龙编织网，编织网的初始角度为22°。截取一段稍长于乳胶软管气囊的编织网，并将编织网套在气囊外侧，两端用单耳无极卡箍进行固定。

优选地，所述腰腿紧固套装前后两侧气动人工肌肉构成一组既相互对抗又相互协调的屈、伸肌肉对，采用拮抗驱动模式。当一侧的气动肌肉收缩时，另一侧气动肌肉舒张，通过力传导绑带牵引膝关节完成屈曲、伸展运动。

优选地，所述外接独立控制系统包括：气泵机、比例压力阀、控制器、电压转换模块、气压传感器、角度传感器、电池组；

所述气泵机用于为所述膝关节助力Exosuit装置提供正向气压；

所述比例压力阀可由输入电压信号控制阀门通断时间，进而控制气泵输出气压，输入电压0～10v对应阀门开通比例0％～100％；

所述控制器用于对数据进行接收、计算、处理，以及指令发送；

所述电压转换模块可将PWM控制信号0％～100％的占空比转化为0～10V的输出电压，从而控制比例压力阀的开通比例；

所述角度传感器能够实时检测膝关节在矢状面的旋转角度，反馈角度数据给控制器单元，为所述外接独立控制系统提供用户的运动信息；

所述气压传感器能够实时检测气动人工肌肉内部气压信息，并反馈给控制器，为控制气动人工肌肉的收缩量提供数据信息。

本发明的有益效果：

1、膝关节助力Exosuit装置整体质量较轻，不会为穿戴者造成额外负重；

2、膝关节助力Exosuit装置采用并联多通气动人工肌肉作为动力元件，有较强的柔性和安全性，提高助力效果的柔顺性；

3、膝关节助力Exosuit装置采用尼龙绑带传动，进一步增加了装置整体的柔性，且符合力的传递需求；

4、膝关节助力Exosuit装置采用气动肌肉的拮抗驱动方式，与人体腿部肌肉本身的驱动方式相似，不会造成与腿部肌肉的对抗损耗；

5、膝关节助力Exosuit装置引入外接独立控制单元，可以实时读取膝关节状态信息，提升系统动态响应速度，从而提升穿戴者的助力舒适性。

附图说明

图1是该膝关节助力Exosuit装置的正面结构示意图；

图2是图1中并联多丝气动人工肌肉的结构示意图；

图3是图2中单根肌原纤维的机构示意图；

图4是该膝关节助力Exosuit装置的侧面工作示意图；

图5是该膝关节助力Exosuit装置的总体控制方案图。

其中各附图标记含义如下：

1.腰腿紧固套装；2.自制并联多丝气动人工肌肉；3.气动肌肉约束绑带；4.膝关节转向紧固套装；5.绑带传动系统及固定扣；6.小腿紧固套装；201.硬质气管；202.气管转接头；203.单耳无极卡箍；204.肌原纤维；205.喉箍；204(1).尼龙编制网；204(2).乳胶软管气囊

具体实施方式

结合附图1-5，对本发明作进一步说明，以便更好理解。

本发明提供了一种可穿戴膝关节助力Exosuit装置。图1所述膝关节助力Exosuit装置包括腰腿紧固套装1，自制并联多丝气动人工肌肉2，气动肌肉约束绑带3，膝关节转向紧固套装4，绑带传动系统及固定扣5以及小腿紧固套装6。

整个装置为一体化结构，用户通过所述腰腿紧固套装1及小腿紧固套装6将Exosuit装置固定于腿部。所述腰腿紧固套装1的腰部固定可将气动肌肉产生作用力分散到身体躯干部位，符合人体力学特点。穿戴方面采用魔术贴设计，可根据用户的腰围进行调节，采用透气亲肤面料，增加用户穿戴体验。所述气动肌肉约束绑带3和膝关节转向紧固套装4可保持并联多丝气动人工肌肉2的行程与腿部平行，将收缩力完全作用于小腿紧固套装6，与用户自身腿部肌肉协同发力。所述小腿紧固套装6存在一条足下的固定绑带，形成腿足一体式，此种设计可保证小腿紧固套装在受到绑带传动系统牵引力时不会产生位移，以确保可以作为受力组件的固定基座。

图2为自制并联多丝气动人工肌肉2的结构示意图。所述并联多丝气动人工肌肉2仿照人类肌肉纤维束，将六根细长肌原纤维204并行排列，采用2行*3列的紧凑型布局增加固定端的接触面积，缩小整体体积以提高肌肉灵活性。六根肌原纤维204一端由喉箍205进行整体密封固定，另一端与气管转接头202连接，用以进行气体供应。所述气管转接头202采用Y型三通及Y型五通转接头，内部含有不锈钢爪型固定器，可以与作为导气口的硬质PVC气管201紧密固定，并且配备旋转脱扣的设计机制可以让其简便拆装，方便后期更换维修。

所述肌原纤维204的结构如图3所示，由单耳无极卡箍203，尼龙编制网204(1),以及乳胶软管气囊204(2)共同组成。内芯的乳胶软管气囊204(2)采用规定长度的乳胶软管进行制作，拥有较强的膨胀能力和轻便性。乳胶软管的一端由喉箍205完全封闭，另一端插入一根硬质PVC气管201用作导气口，可以得到一个乳胶软管气囊204(2)。外部收束编制网采用尼龙编织网204(1)，这种材料成本低、强度高、质量轻并且耐腐蚀。尼龙编织网204(1)的初始角度为22°，长度可根据需要任意截取。截取一段稍长于乳胶软管气囊204(2)的尼龙编织网204(1)，并将尼龙编织网204(1)套于乳胶软管气囊204(2)外侧，用单耳无极卡箍203进行固定。与传统金属固定装置相比，单耳无极卡箍203质量轻、体积小。并且由于没有凸起和间隙，实现了被固定管件表面均匀受力压缩，可以有效防止漏气的情况发生。

图4是膝关节助力Exosuit装置的侧面工作示意图，如图所示，AB和CD代表绑带传动系统4在腿部正反两面的分布示意，当腰腿紧固套装1前后两面的并联多丝气动人工肌肉2拮抗驱动时，带动膝关节弯曲角度也发生变化。l

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如图5所示，是膝关节助力Exosuit装置的总体控制方案图，所述气源选择气泵机，可为并联多丝气动人工肌肉2提供持续稳定的气压，满足膝关节助力Exosuit装置的助力需求；所述比例压力阀，压力调节范围为0.02～10bar，由输入电压信号控制阀门通断时间，进而控制输出气压，输入电压0～10v对应阀门开通比例0％～100％。控制器选用STM32F407ZGT6单片机开发板作为微控制器，包含6组串行通信接口以及多个PWM波输出通道以及其它外设模块，同时配以DAP下载器，以实现控制代码从PC机到控制器的下载。单片机开发板输出PWM波信号的峰值电压仅为3.3V，难以控制比例压力阀的阀门通断时间。故采用电压转换模块，该模块可将PWM控制信号0％～100％的占空比转化为0～10v的输出电压，从而实现比例压力阀阀门0％～100％的开通比例。为了膝关节助力Exosuit装置的助力稳定性，系统引入闭环控制机制以实现目标，通过气压传感器与角度传感器实时读取气动人工肌肉2的气压与膝关节角度信息。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。