一种可穿戴型膝关节助力机器人

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明采取的技术方案是：

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。

本发明优异的效果是：

相比现有技术，本发明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，本发明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。

本发明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是本发明所述可穿戴型膝关节助力机器人的组成图；

图2是本发明所述的控制系统部件组成图；

图3是本发明所述的左腿柔性执行机构外形图(伸展状态)。

图4是本发明所述的左腿柔性执行机构爆炸图(组成图，伸展状态)。

图5是本发明所述的右腿柔性执行机构外形图(弯曲状态)。

图6是本发明所述的右腿柔性执行机构爆炸图(组成图，弯曲状态)。

图7是本发明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是本发明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.气泵固定支架；109.电池组固定支架；110.紧固件；111.气管；112.气管；113.气管；114.气管。

201.左腿大腿固定板；202.左腿小腿固定板；203.气囊；204.转轴；205.扭力弹簧； 206.弹簧固定压板；207.弹簧固定件；208.弹簧保护罩；209.柔性固定带；210.魔术贴固定带；111.气管；112气管；213.紧固件；214.铆钉。

301.右腿大腿固定板；302.右腿小腿固定板；303.气囊；304.转轴；305.扭力弹簧；306.弹簧固定压板；307.弹簧固定件；308.弹簧保护罩；309.柔性固定带；310.魔术贴固定带；113.气管；114.气管；313.紧固件；314.铆钉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施案例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

图1是本发明所述可穿戴型膝关节助力机器人的组成图。如图1所示，一种可穿戴型膝关节助力机器人，主要由控制系统部件1、左腿柔性执行机构2、右腿柔性执行机构3、左脚足底薄膜压力传感器组4、右脚足底薄膜压力传感器组5等组成。如图所示，左腿柔性执行机构2和右腿柔性执行机构3分别作用于左、右腿膝关节，二者采用气囊增压与扭力弹簧蓄能相结合的作用方式。控制系统部件1依据左脚足底薄膜压力传感器组4和右脚足底薄膜压力传感器组5提供步态周期参数对左腿柔性执行机构2和右腿柔性执行机构3的气囊气压的进行控制，为左腿柔性执行机构和右腿柔性执行机构提供正压和负压，在人行走过程中提供作用于辅助膝关节弯曲和伸展的柔性转矩。

图2是本发明所述的控制系统部件1组成图。如图2所示，所述的控制系统部件包括本体101、上盖102、微型气泵(A)103、微型气泵(B)104、电气控制系统105、直流电池组件106、柔性固定带107、气泵固定支架108、电池组固定支架109、紧固件110、气管111、气管112、气管113以及气管114等组成。所述本体101为所述控制系统部件1的承载单元，通过上盖102对本体101 内部的零部件进行密封和保护。所述电气控制系统105通过紧固件110固定在本体101上，是所述膝关节助力机器人的控制单元，对所述微型气泵(A)103、微型气泵(B)104、左脚足底薄膜压力传感器组4和右脚足底薄膜压力传感器组5等进行控制。微型气泵(A)103、微型气泵(B)104为直流活塞式气泵，通过紧固件110固定在本体101上，是所述膝关节助力机器人的气动发生部件。气管111、气管112、气管113和气管114为气压输送通道。所述直流电池组件106，采用可重复充电的锂电池，通过电池组固定支架109固定在本体101上，主要为所述微型气泵(A)103、微型气泵(B)104、左脚薄膜压力传感器组4、右脚足底薄膜压力传感器组5以及电气控制系统105供电。所述左脚足底薄膜压力传感器组4和右脚足底薄膜压力传感器组5，在行走过程中测量从脚跟着地到脚趾离地的过程(一个步行动作)，识别步态周期，包括双脚与地面接触的支撑期和脚腾空挪动的摆动期，为电气控制系统105提供步态数据，进而所述电气控制系统105对微型气泵(A)103和微型气泵(B)104的正压和负压进行实时控制，从而实现与人行走步态同步的输出控制。

图3是本发明所述的左腿柔性执行机构2外形图(伸展状态)，图4是本发明所述的左腿柔性执行机构2爆炸图(组成图，伸展状态)。所述左腿柔性执行机构2主要由左腿大腿固定板201、左腿小腿固定板202、气囊203、转轴204、扭力弹簧205、弹簧固定压板206、弹簧固定件207、弹簧保护罩208、柔性固定带209、魔术贴固定带210、气管111、气管112、紧固件213和铆钉214等组成。

左腿大腿固定板201、左腿小腿固定板202采用轻质高强度碳纤维材料制成，起力的传导和支撑的作用。左腿小腿固定板202安装在左腿大腿固定板201的转轴204上，左腿大腿固定板201上有对左腿小腿固定板202的可调节限位台， 可根据用户跨步过程中膝关节伸展和弯曲的最大和最小角度进行调整，并通过螺钉紧固件固定，从而实现左腿小腿固定板202绕转轴在固定角度范围内的旋转。扭力弹簧205安装在转轴上204，并通过弹簧固定件207、弹簧固定压板206以及紧固件213等分别固定在左腿大腿固定板201和左腿小腿固定板202上，然后外部有弹簧保护罩208进行封闭保护。所述扭力弹簧205的自由角度(自由位置时的角度值)为120°，最大挠度200°。所述自由角度角度120°是人在行走迈步过程中膝关节通常弯曲的最大角度，该角度可以根据用户的差异，可以选取不同自由角度的扭力弹簧。

所述气囊203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。所述气囊203横截面为四边形的柱型结构形式，随着所述气泵输入压力增大，所述气囊203可由无压力、无固定角度状态变成180°的固定角度，并具有较强的压力，即辅助膝关节绷直。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可以缝制在帆布面缝合。通过魔术贴固定带210可以将所述气囊203固定在左腿大腿固定板201和左腿小腿固定板202，气囊203气压作用力将直接传到左腿大腿固定板201和左腿小腿固定板202上。所述柔性固定带209用柔韧性较好的自粘布和弹力带制成，并通过铆钉214固定在所述左腿大腿固定板201和左腿小腿固定板202。所述左腿柔性执行机构2通过柔性固定带209固定在用户左腿大腿、膝关节和小腿相应部位，为用户提供左腿膝关节弯曲和伸展的转矩。

所述左腿柔性执行机构2主要是依靠安装在所述左腿大腿固定板201和左腿小腿固定板202上的气囊203气压与扭力弹簧205扭转力实现辅助膝关节伸展和弯曲的。具体说，气囊203与扭力弹簧205形成使左腿小腿固定板202相对左腿大腿固定板201转动的一对作用力和反作用力，当所述微型气泵(A)103 对气囊203充气，气囊203内的气压不断增大时，并克服扭力弹簧205的扭转力，由无压力、无固定角度状态逐渐达到气囊固定角度180°，使左腿小腿固定板202相对左腿大腿固定板201顺时针转动并达到使膝关节绷直的180°，为左腿膝关节提供伸展的转矩，即辅助左腿膝关节绷直，此时扭力弹簧的扭转力最大。微型气泵(B)104对气囊203抽气时，气囊203内压强迅速变小，扭力弹簧205受自身扭转恢复力的作用恢复到自由位置。受扭力弹簧205扭转恢复力作用，左腿小腿固定板202相对左腿大腿固定板201做逆时针旋转，并能达到辅助膝关节跨步所需的120°极限角度，为左腿膝关节提供跨步弯曲的转矩。

图5是本发明所述的右腿柔性执行机构3外形图(负压时的弯曲状态)，图6是本发明所述的右腿柔性执行机构3爆炸图(组成图，负压时的弯曲状态)。所述右腿柔性执行机构3主要由右腿大腿固定板301、右腿小腿固定板302、气囊303、转轴304、扭力弹簧305、弹簧固定压板306、弹簧固定件307、弹簧保护罩308、柔性固定带309、魔术贴固定带310、气管113、气管114、紧固件313和铆钉314等组成。所述右腿柔性执行机构3通过柔性固定带309固定在用户右腿大腿、膝关节和小腿相应部位，为用户提供右腿膝关节弯曲和伸展的转矩。

所述右腿柔性执行机构3中的除了右腿大腿固定板301、右腿小腿固定板302、弹簧保护罩308与左腿柔性执行机构2中的左腿大腿固定板201、左腿小腿固定板202以及弹簧保护罩308形式有差异外，右腿柔性执行机构3与左腿柔性执行机构2中对应位置的零部件是通用的，具有互换性。另外，如图3、4、5和6所示，右腿柔性执行机构3与左腿柔性执行机构2相比较，除了右腿小腿固定板302摆动方向相反，二者其他零部件安装关系相同。所以，在此不再对右腿柔性执行机构3零部件安装关系及结构机理进行赘述。

图7是本发明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是本发明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。在一个步态周期内，首先以左脚腾空挪动的摆动期，右脚支撑期为例，如图7所示，当左脚处于腾空挪动的摆动期时，左脚足底薄膜压力传感器组4测量从左脚趾离地到左脚跟着地的过程(一个步行动作)，识别步态周期；同样，右脚足底薄膜压力传感器组5测量从右脚跟着地到脚趾离地的过程(一个步行动作)，识别步态周期，从而实现左右脚步态周期的测量和识别，为电气控制系统105提供左腿和右腿的步态数据。进而所述电气控制系统105对微型气泵(B)104进行输出实时控制，微型气泵(B)104通过气管112为所述左腿柔性执行机构2中的气囊203进行抽气(负压控制)，气囊203内压强迅速变小，扭力弹簧205受自身扭转恢复力的作用恢复到自由位置。受扭力弹簧205扭转恢复力作用，左腿小腿固定板202相对左腿大腿固定板201做逆时针旋转，为左腿膝关节提供跨步弯曲的转矩。微型气泵(B)104通过气管113为所述右腿柔性执行机构3中的气囊303进行充气(正压控制)，当所述微型气泵(B)104对气囊303充气，气囊303内的气压不断增大时，并克服扭力弹簧305的扭转力，由无压力、无固定角度状态逐渐达到气囊固定角度180°，使右腿小腿固定板302相对右腿大腿固定板301逆时针转动并达到使膝关节绷直的180°，为右腿膝关节提供伸展的转矩，即辅助右腿膝关节绷直，此时扭力弹簧的扭转力最大。在左脚腾空挪动的摆动期微型气泵A(103)不工作。

随后，左脚逐渐进入支撑期，右脚逐渐进入腾空挪动的摆动期。如图8所示，所述电气控制系统105对微型气泵(A)103进行实时流量进出控制，通过气管111为所述左腿柔性执行机构2中的气囊203进行充气(正压控制)，气囊 203内压强迅速增大，并克服扭力弹簧205的扭转力，由无压力、无固定角度状态逐渐达到气囊固定角度180°，使左腿小腿固定板202相对左腿大腿固定板201顺时针转动并使膝关节绷直，为右腿膝关节提供伸展的转矩，此时扭力弹簧的扭转力最大。同时，微型气泵(A)103通过气管114为所述右腿柔性执行机构3中的气囊303进行抽气(负压控制)，气囊303内压强迅速变小，扭力弹簧305受自身扭转恢复力的作用恢复到自由位置。受扭力弹簧305扭转恢复力作用，右腿小腿固定板302相对右腿大腿固定板301做顺时针旋转，为右腿膝关节提供跨步弯曲的转矩。在右脚腾空挪动的摆动期微型气泵B(104)不工作。

以上是所述膝关节助力机器人实现一个跨步周期的行走辅助功用。如此循环往复，所述膝关节助力机器人的左脚足底薄膜压力传感器组4和右脚足底薄膜压力传感器组5，在行走过程识别步态周期，为电气控制系统105提供步态数据，进而所述电气控制系统105对微型气泵(A)103和微型气泵(B)104进行实时控制，按照步态适时为左腿柔性执行机构2的气囊203和右腿柔性执行机构3的气囊303提供正压和负压，并最终形成作用于膝关节的弯曲和伸展的转矩，达到在行走过程中，为膝关节提供人的步态同步的伸展和弯曲的柔性转矩，实现气动柔性行走辅助。

本发明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，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。并且，本发明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，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、体积大和质量大的缺点，显 著提高了装备的安全性和舒适性，并且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。本发明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。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。